0 引言

    隨著信息化技術和并行設計工程理念的飛速發(fā)展，三維數(shù)字化協(xié)同設計已在航空、航天、航海、石油、化工和汽車等領域廣泛應用，對傳統(tǒng)研制模式造成了很大的影響和沖擊，并已成為機械產(chǎn)品設計行業(yè)的發(fā)展趨勢。

    本文結合某液體火箭發(fā)動機三維數(shù)字化協(xié)同設計應用現(xiàn)狀，論述了三維數(shù)字化協(xié)同設計的流程、特點以及應用成果，全面展示了三維數(shù)字化協(xié)同設計相對于傳統(tǒng)研制模式的優(yōu)勢，促進了該模式在液體火箭發(fā)動機和其他機械產(chǎn)品領域的推廣。

    1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

    國外基于產(chǎn)品數(shù)字樣機的數(shù)字化設計與制造模式已廣泛應用于航空、航天、船舶、石油和汽車等領域，并成為產(chǎn)品設計和制造行業(yè)發(fā)展的趨勢。

    20世紀90年代初，波音公司在研制波音777時首次采用了全三維數(shù)字化設計、并行設計等數(shù)字化技術，率先實現(xiàn)了100％的數(shù)字化產(chǎn)品定義和三維數(shù)字化預裝配，并通過實施飛機構型定義與控制、制造資源管理等大型工程，使得波音777的研制周期比波音767幾乎縮短了50％，設計更改和返工率減少50％，裝配時出現(xiàn)的問題數(shù)量減少了50％～80％。進入2l世紀，波音公司又推出了全球協(xié)同研制環(huán)境(GCE)，實現(xiàn)了對波音787協(xié)同研制的支持，它給整個產(chǎn)品研制提供了一個嶄新的系統(tǒng)方法和解決方案，真正實現(xiàn)了產(chǎn)品研制的全壽命周期數(shù)字化協(xié)同研制過程與系統(tǒng)的全面集成。

    在國內(nèi)，航空領域的數(shù)字化應用起步較早，目前已在飛豹、殲20、運一2O和ARJ2l等多個飛機型號上使用。其中運一20和ARJ21通過采用全三維數(shù)字化設計和并行工程方法實現(xiàn)了大部段對接一次成功和飛機上天一次成功。國內(nèi)航天領域的數(shù)字化應用起步相對較晚，目前已在新一代運載火箭上進行了應用，其中CZ一7火箭已實現(xiàn)全壽命周期數(shù)字化研制。

    2 設計模式對比

    2．1 傳統(tǒng)設計模式

    傳統(tǒng)設計模式下的液體火箭發(fā)動機設計流程見圖1。

    圖1 傳統(tǒng)設計流程

    設計人員首先按照發(fā)動機系統(tǒng)設計輸入完成產(chǎn)品方案設計和結構設計，然后完成二維圖紙設計，再依次完成校對、審核、工藝會簽、標審和批準，最后將二維圖紙曬蘭下廠。可以看出，傳統(tǒng)設計模式未發(fā)揮三維數(shù)字化設計手段的優(yōu)勢，且整個研制過程是一個串行模式。傳統(tǒng)設計模式存在以下缺點：

    1)串行模式導致設計各階段脫節(jié)，產(chǎn)品設計周期長；

    2)工藝沒有提前介人產(chǎn)品結構方案設計，在工藝會簽階段容易導致結構方案反復，工作量和設計成本成倍增加；

    3)二維圖紙不易理解且可視性差，不能精確定義復雜形面；

    4)工藝在開展工藝路線設計時需要重新轉(zhuǎn)換圖紙所包含信息；

    5)不同零部組件之間進行結構尺寸協(xié)調(diào)比較困難且易出現(xiàn)誤差；

    6)不能提前模擬和驗證產(chǎn)品裝配方案；

    7)無法直接開展產(chǎn)品三維數(shù)字化制造。

    2．2 三維數(shù)字化協(xié)同設計模式

    基于三維數(shù)字化協(xié)同模式的液體火箭發(fā)動機設計流程見圖2。

    圖2 三維數(shù)字化協(xié)同設計流程

    與傳統(tǒng)設計模式相比，其顯著特點表現(xiàn)為：

    1)采用全三維數(shù)字化設計手段，建立了全三維數(shù)字化模型，并用含三維標注的模型替代了原有的二維圖紙；

    2)采用IPT研制模式，將串行設計變?yōu)椴⑿性O計。

    由于采用了新的設計技術和協(xié)同手段，該設計模式表現(xiàn)出以下優(yōu)點：

    1)并行設計縮短了產(chǎn)品設計周期；

    2)工藝可以提前介入產(chǎn)品結構設計，產(chǎn)品結構方案不易出現(xiàn)反復，研制成本降低；

    3)三維模型可真實、立體反映產(chǎn)品設計意圖，易于理解；

    4)工藝可直接在三維模型上開展工藝模型設計和工裝設計，減少產(chǎn)品設計信息轉(zhuǎn)換；

    5)便于開展三維仿真分析，優(yōu)化結構方案；

    6)可進行數(shù)字化模擬裝配，提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品接口不一致問題，同時驗證裝配方案；

    7)為工廠開展三維數(shù)字化制造奠定了基礎。

    3 液體火箭發(fā)動機數(shù)字化協(xié)同設計

    3．1 協(xié)同設計平臺

    為了便于開展自頂向下的骨架模型設計，某液體火箭發(fā)動機研制中選擇了PTC公司的Pro／E軟件作為三維設計軟件，并采用Intralink作為產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)和協(xié)同共享平臺。

    產(chǎn)品設計人員首先利用Pro／E軟件在工作區(qū)內(nèi)完成模型設計，然后通過檢人操作將數(shù)據(jù)上傳至Intralink服務器實現(xiàn)數(shù)據(jù)載入和共享。模型發(fā)生修改時，首先將其檢出到工作區(qū)，完成修改后再執(zhí)行檢人操作實現(xiàn)數(shù)據(jù)更新，具體工作流程見圖3。

    圖3 工作流程

    3．2 骨架模型設計

    在液體火箭發(fā)動機研制中，發(fā)動機總體需根據(jù)火箭總體布局要求和總裝布局方案對組件的空間位置、輪廓尺寸、接口方位和接口結構尺寸提出要求，完成發(fā)動機總體與組件的接口協(xié)調(diào)。在傳統(tǒng)的研制模式中，接口協(xié)調(diào)是通過二維結構設計要求完成的。

    在三維數(shù)字化協(xié)同設計中，通過采用自頂向下模式和多層骨架方案建立了發(fā)動機骨架模型（見圖4)，將組件的空間位置、輪廓尺寸、接口方位和接口結構尺寸要求包含在組件發(fā)布骨架模型中，用骨架模型替代了傳統(tǒng)模式中的二維結構設計要求，提高了接口協(xié)調(diào)的準確性和實時性，實現(xiàn)了無紙化接口協(xié)調(diào)。

    圖4 發(fā)動機骨架模型

    3．3 三維模型設計和管理

    3．3．1 三維模型設計

    目前液體火箭發(fā)動機設計一般采用“二維工程圖為主，三維模型為輔”的產(chǎn)品定義模式。在該模式下，二維曬蘭圖紙代表了產(chǎn)品的最終設計狀態(tài)，是產(chǎn)品加工的唯一依據(jù)。由于三維模型與二維圖紙是分離的，因此三維模型僅用于發(fā)動機布局方案設計和模裝分析，并沒有成為真正意義上的三維模型聞。

    基于模型定義技術(Model Based Definition，簡稱MBD1是將產(chǎn)品的所有相關設計定義、工藝描述、屬性和管理等信息都附著在產(chǎn)品三維模型中的先進的數(shù)字化定義方法。該技術最初由波音公司提出，并引起了設計過程和制造模式的革命性變化，并為并行協(xié)同設計提供了技術途徑，MBD模型成為并行協(xié)同過程中信息的唯一載體。

    基于Pro／E三維設計軟件和Intralink平臺，結合相關數(shù)字化設計規(guī)范，某液體火箭發(fā)動機首次實現(xiàn)了全三維數(shù)字化設計。通過設置三維模型屬性參數(shù)(見表1)和全尺寸三維標注，完成了完整的MBD模型設計，真正實現(xiàn)了無紙化設計。

    表1 三維模型屬性參數(shù)

    基于MBD模型，設計人員同時開展了三維仿真分析和三維模擬裝配，提高了仿真結果的正確性和合理性，并提前驗證了發(fā)動機裝配方案。

    3．3．2 三維模型狀態(tài)控制

    產(chǎn)品狀態(tài)控制是設計人員開展工作的首要任務。三維模型的狀態(tài)是通過模型版本號來區(qū)分的，為了保證三維模型版本的正確性和唯一性，需要對三維模型狀態(tài)進行嚴格控制。

    目前發(fā)動機研制中采用AVIDM+Intralink共同管理模式，其中AVIDM負責管理三維模型審批表、明細表和更改單，Intralink平臺實現(xiàn)三維模型存儲和基線管理。在三維模型審批表和更改單中需具體明確最終狀態(tài)的模型版本號，確保設計狀態(tài)是最新且唯一的。

    3．3．3 三維模型狀態(tài)更改

    產(chǎn)品設計狀態(tài)更改是發(fā)動機研制過程中不可避免的工作內(nèi)容。二維圖紙更改一般采用劃改、換頁或換版等方式，并通過下發(fā)更改單明確具體更改內(nèi)容。

    三維模型的更改必須全部在三維模型上進行，并通過更改單明確。由于三維模型采用了參數(shù)化設計，對于不改變拓撲結構的簡單更改，僅需對建模特征參數(shù)進行修改后更新三維模型就可實現(xiàn)設計要求更改，操作簡單方便。對于改變拓撲結構的復雜更改，則需對更改特征進行重新建模，并同時增加相關三維標注。在更改單中，需明確三維模型更改前后的版本、基線和具體更改內(nèi)容。

    3．3．4 三維模型電子分發(fā)

    在傳統(tǒng)的設計模式中，設計人員完成的二維圖紙需曬蘭下廠并按工藝路線分發(fā)。工藝人員在接收到二維圖紙后便可開始工藝文件設計、工裝設計等工作。

    采用三維數(shù)字化協(xié)同設計后，在完成AVIDM流程審批和三維模型基線受控后，檔案部門直接將三維模型基線電子分發(fā)到工廠，工藝根據(jù)模型審批表和明細表直接在Intralink中自行下載相關三維模型，然后開展相關工作。電子分發(fā)簡化了三維模型下廠流程，可保證三維模型狀態(tài)確定后能及時被廠接收，同時降低了研制成本。

    3．4 IPT并行設計

    傳統(tǒng)的串行研制模式中產(chǎn)品設計與生產(chǎn)完全分離，導致產(chǎn)品研制周期長、效率低、成本高。當年波音公司在實施波音777項目時，成立了238個集成產(chǎn)品開發(fā)團隊(Integrated Product Team，簡稱rPT)，實現(xiàn)了并行設計，減少了生產(chǎn)返工和設計更改的數(shù)量，保證了產(chǎn)品設計生產(chǎn)一次成功。

    某液體火箭發(fā)動機采用IPT模式進行并行研制后，設計人員在三維模型完成初期就及時與工藝人員進行溝通交流，對產(chǎn)品結構方案合理性、工藝可實現(xiàn)l生進行討論，然后根據(jù)討論結果修改完善三維模型，并再次進行溝通交流。在產(chǎn)品結構方案和工藝方案確定后，工廠可同步啟動工裝設計、工藝模型設計、材料準備和工藝準備等工作。產(chǎn)品方案最終確定后，通過IPT模式完成三維標注、校對、審核、工藝會簽和標審，批準后三維模型直接電子分發(fā)下廠。

    采用IPT模式后，產(chǎn)品結構方案反復和設計更改明顯減少，研制周期進一步縮短，研制成本也顯著降低。

    4 結論

    1)和傳統(tǒng)的串行研制模式相比，基于IPT的三維數(shù)字化協(xié)同設計模式可顯著提高研制效率，縮短研制周期，是液體火箭發(fā)動機研制模式的發(fā)展趨勢。

    2)某液體火箭發(fā)動機通過采用該研制模式，實現(xiàn)了無紙化接口協(xié)調(diào)、MBD模型設計和三維模型電子分發(fā)下廠，在國內(nèi)首次實現(xiàn)了液體火箭發(fā)動機全三維數(shù)字化協(xié)同設計，同時也為后續(xù)開展三維數(shù)字化制造奠定了堅實基礎。

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本文標題：液體火箭發(fā)動機的三維數(shù)字化協(xié)同設計研究

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