0 引言

航空發(fā)動機產(chǎn)品研制涉及學科種類多，設計／工程技術(shù)要求高，部件／系統(tǒng)間協(xié)調(diào)關系復雜，整機綜合匹配困難，是一項繁雜的綜合類系統(tǒng)工程。而結(jié)構(gòu)設計是研制過程中一個非常重要的環(huán)節(jié)，要綜合氣動、流體、傳熱、材料、工藝、強度、振動、裝配、使用和維修等諸方面的問題，還要考慮實際制造與使用的具體條件，并結(jié)合國內(nèi)外航空發(fā)動機的使用經(jīng)驗，通過權(quán)衡，得出適用的設計。

傳統(tǒng)的發(fā)動機結(jié)構(gòu)設計從方案設計到工程設計，再到生產(chǎn)制造，均通過繪制二維圖來表達產(chǎn)品的幾何輪廓、尺寸、公差和工藝制造要求，存在錯誤表達和被錯誤理解的風險。為了解決這個問題，工程領域發(fā)展了全三維數(shù)字化技術(shù)，其典型特征是基于模型的定義(Model Based Definition，簡稱MBD)，用三維實體模型代替二維圖形表達產(chǎn)品定義信息，即用三維實體模型直接定義最終的三維產(chǎn)品，從而避免了通過二維圖和文字來重構(gòu)三維產(chǎn)品模型呵能帶來的理解和表達偏差，使得三維模型成為產(chǎn)品整個研制過程中的唯一數(shù)據(jù)源。

目前，國外MBD技術(shù)的應用已經(jīng)比較成熟，如波音公司在以波音-787為代表的新型客機研制過程中，全面采用了MBD技術(shù)，將三維產(chǎn)品制造信息與三維設計信息共同定義到產(chǎn)品的三維模型中，摒棄二維圖樣，并將MBD模型作為制造的唯一依據(jù)。國內(nèi)航空業(yè)也開始研究MBD技術(shù)，并嘗試應用于產(chǎn)品設計、制造的各個環(huán)節(jié)。

隨著MBD技術(shù)不斷發(fā)展完善，航空發(fā)動機的設計方法也在不斷地發(fā)展、進步。針對航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)設計中部件與部件間、部件與系統(tǒng)間、零件與零件間存在大量的幾何及非幾何的關聯(lián)關系這一特點，嘗試通過數(shù)字化設計技術(shù)建立、控制和傳遞這種關聯(lián)影響關系，從而實現(xiàn)上下游設計信息的快速傳遞，以及更好地開展多專業(yè)、多部門間協(xié)同并行設計，縮短產(chǎn)品研制周期以及提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

本文對MBD技術(shù)、關聯(lián)設計技術(shù)、協(xié)同設計以及MBD關聯(lián)設計在航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)協(xié)同設計中的應用進行了探索與研究。

1 MBD技術(shù)概述

1.1 MBD技術(shù)的定義

MBD技術(shù)是一種新的產(chǎn)品數(shù)字化定義技術(shù)，是指用集成的三維實體模型來完整表達產(chǎn)品定義信息的方法。該技術(shù)是將原來定義在二維圖紙上的幾何結(jié)構(gòu)設計信息、生產(chǎn)工藝制造信息和產(chǎn)品屬性管理信息，共同集成定義在三維數(shù)字化模型中。改變了傳統(tǒng)的二維圖紙定義產(chǎn)品的輪廓、尺寸、公差及工藝信息，或者：二維圖紙為主輔以三維模型的方法，同時使制造單位以三維數(shù)字化模型為依據(jù)，開展工藝、制造、裝配、檢測、服務等工作，實現(xiàn)設計、工藝、制造、檢測等的高度集成，有效地解決了設計、制造、使用維護一體化的難題，消除了傳統(tǒng)研發(fā)模式中三維模型與二維圖紙之間的信息沖突，減少了創(chuàng)建、存儲和追蹤的數(shù)據(jù)量，保證了產(chǎn)品制造信息的準確性、唯一性、快速性，從而有效縮短了產(chǎn)品研制周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1.2 MBD技術(shù)的應用

2003年7月，美國機械工程師協(xié)會發(fā)布了關于三維模型標注信息內(nèi)容的標準(ASMEY14.41)，用以解決圖紙與信息系統(tǒng)傳輸之間的矛盾。隨后，波音公司率先在787項目中開始推廣使用MBD技術(shù)，使得項目的整個研制周期縮短約30%，提高了研制效率。MBD技術(shù)的應用同時減少了物理樣機的制造及由二維圖紙不精確造成的理解偏差，整合了設計、制造等方面的流程，相應節(jié)約了成本并提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

同樣地，國外其他公司如R&R也開始逐步應用MBD技術(shù)，即在產(chǎn)品研發(fā)中，以具有PMI(Product Manufacturing Information，產(chǎn)品制造信息)三維標注的模型作為唯一數(shù)據(jù)源，保證了產(chǎn)品制造信息的準確、快速傳遞。

2008年以來，國內(nèi)航空業(yè)開始逐步引入MBD技術(shù)，在多型號研制中開展了試點應用與實踐，并取得了顯著成效。在航空發(fā)動機領域，形成了基于UG的MBD三維標注規(guī)范，用于指導行業(yè)內(nèi)航空發(fā)動機的全三維數(shù)字化設計。

雖然MBD技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)具有了一定的應用基礎，但相對國外企業(yè)，其綜合應用水平及能力仍然存在較大的差距，尤其是在航空發(fā)動機方面，MBD技術(shù)仍未在型號研制中全面覆蓋并應用，具體表現(xiàn)為：

(1)全三維數(shù)字化模型未落實并貫穿于整個產(chǎn)品制造過程始終，仍需二維圖紙進行輔助支撐：

(2)三維數(shù)字化設計制造一體化集成應用體系尚未貫通；

(3)基于全三維數(shù)字化模型的設計、制造、裝配、維護和管理體系尚未建立：

(4)并行協(xié)同研制中的信息共享與流程控制尚未規(guī)范；

(5)三維標注信息規(guī)范有待完善。

1.3 全三維數(shù)字化模型信息表達方法

與飛機主要使用CATIA建模環(huán)境不同，航空發(fā)動機全三維數(shù)字化設計主要基于UGNX環(huán)境，其完整的數(shù)據(jù)集主要包括三維模型、PMI標注信息和屬性管理信息等。

三維模型包括控制幾何體、輔助幾何體和模型幾何體。控制幾何體是上下游模型中有關聯(lián)關系的幾何元素，這些元素可以是坐標系，也可以是點、線、面、曲面等內(nèi)容，是建立下游模型的基礎控制條件，驅(qū)動相關聯(lián)模型的更改；輔助幾何體不是必要的制造工藝信息，而是建模過程中的輔助信息，即在控制幾何信息與零件幾何信息的基礎上構(gòu)建模型所需的幾何數(shù)據(jù)；模型幾何體是描述最終實體零件的模型幾何體，包括模型中一系列的幾何特征。

PMI標注信息為產(chǎn)品制造信息，包括尺寸與公差配合要求、形位公差要求、基準與粗糙度要求、其他注釋信息和技術(shù)條件等。

屬性管理信息包括發(fā)動機研制型號，零件的名稱、編號、重量、材料等信息。

2 關聯(lián)設計方法概述

2.1 關聯(lián)設計技術(shù)的定義

隨著MBD技術(shù)的發(fā)展，三維模型的快速創(chuàng)建及上下游模型設計信息的準確傳遞成為了發(fā)動機結(jié)構(gòu)設計過程中另一至關重要的因素。

航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)復雜，部件與部件間、零件與零件間存在人量幾何關聯(lián)關系，往往一個模型的變更，牽連到周圍數(shù)個模型的變更，單一的模型參數(shù)化定義無法滿足因設計過程迭代引起的關聯(lián)結(jié)構(gòu)變更需求，為此MBD的關聯(lián)設計技術(shù)應運而生。

關聯(lián)設計(Relational Design)是通過建立一種特殊形式的參數(shù)化模型，即控制模型(Control Model)來實現(xiàn)上游設計對下游設計的關聯(lián)影響，控制模型不是產(chǎn)品制造的必要信息，僅是為快速而準確地傳遞上游控制要求，建立的一種關于上下游設計輸入與輸出的影響、控制和約束關系。

控制模型可以是坐標系，可以足點、線、面、曲面等幾何元素，可以足從實體上抽取的點、邊、面等拓撲元素，也可以是實體。

2.2 關聯(lián)設計方法

關聯(lián)設計方法是一種參數(shù)化設計技術(shù)，通過控制模型來定義一個模型和另一個模型之間的關聯(lián)關系。通過對航空發(fā)動機總體、部件、系統(tǒng)進行分析，總結(jié)和梳理出各自部分之間的相互關聯(lián)影響關系，將對這些關聯(lián)關系起決定性作用的幾何元素定義為控制元素。對于產(chǎn)品控制模型而言，要定義產(chǎn)品的總體架構(gòu)和部件（系統(tǒng)）的接口。接口是起控制作用的幾何元素的集合，是上游設計活動控制下游設計活動的手段：架構(gòu)為按不同研制階段總體、部件、系統(tǒng)定義的具有聯(lián)系的接口的集合，這些集合具有層次關系。

在航空發(fā)動機產(chǎn)品項目型號的DBOM (Design BOM)根目錄下建立總體的控制模型，該模型下包含了總體專業(yè)在設計過程中將要用到的各部件（系統(tǒng)）相關的所有關鍵設計輸入控制元素（包括關鍵的坐標系、界面或界面接口）。部件控制模型首先關聯(lián)引用總體專業(yè)規(guī)定的控制元素，在此基礎上增加部件內(nèi)部控制元素，具體的零件或模塊設計則通過引用部件控制元素開展詳細設計，完成最終的產(chǎn)品定義。

2.3 關聯(lián)設計技術(shù)的作用

航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)復雜、零件多、系統(tǒng)多，設計和制造難度高。在設計過程中，結(jié)構(gòu)設計人員需要大量協(xié)調(diào)溝通，反復迭代，不斷完善設計方案。同時，好的結(jié)構(gòu)設計需要綜合考慮材料、工藝，并能滿足發(fā)動機苛刻的熱負荷和壓力負荷的工作環(huán)境，因而需要結(jié)構(gòu)設計人員和氣動傳熱、強度分析、材料、工藝等多專業(yè)間的反復迭代與協(xié)調(diào)。

傳統(tǒng)設計過程中，上下游設計的影響關系一般通過間接的方式傳遞，如發(fā)送內(nèi)部通知單、技術(shù)協(xié)調(diào)單等，或通過共享數(shù)據(jù)模型，信息傳遞時間和路徑長，容易產(chǎn)生信息傳遞遺漏與錯誤。

在全三維數(shù)字化模型中，通過定義發(fā)動機結(jié)構(gòu)設計中總體層級、部件層級的接口控制模型，可實現(xiàn)總體與各部件及系統(tǒng)、各部件及系統(tǒng)內(nèi)部設計關聯(lián)和信息共享，加快協(xié)調(diào)和更改的速度。

由于MBD數(shù)據(jù)集可以包含設計、工藝、制造、檢驗等各方面信息，且數(shù)據(jù)源唯一，上下游相關人員基于一個數(shù)據(jù)模型開展工作，方便了后續(xù)的制造及數(shù)字化裝配設計，可以使得設計生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)保持一致。全三維模型直觀，更容易理解，減少了信息傳遞遺漏和人為判別錯誤的風險。

當控制模型中界面間的控制要求發(fā)生變更時，設計更改可以自動流轉(zhuǎn)到下游，模型自動更新更改，可實現(xiàn)設計過程快速迭代，減少設計錯誤，極大地縮短研制周期，提高產(chǎn)品設計質(zhì)量。

3 MBD關聯(lián)設計技術(shù)在航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)協(xié)同設計中的應用

3.1 協(xié)同設計的定義與作用

MBD技術(shù)能夠基于唯一數(shù)據(jù)源更加準確地表達設計意圖，而關聯(lián)技術(shù)則能更加快速地傳遞更改信息，減少迭代，以二者技術(shù)為基礎而建立的關聯(lián)協(xié)同設計環(huán)境，能夠全面有效地組織、應用和管理全三維模型數(shù)據(jù)，便于設計內(nèi)部、設計制造等并行開展工作，因此，數(shù)字化系統(tǒng)及數(shù)字化協(xié)同管理系統(tǒng)目前已被航空發(fā)動機各設計研制單位及制造單位重點關注。

通常把通過交流、協(xié)調(diào)完成各自的設計工作過程稱為協(xié)同設計。將用于協(xié)同設計的工具集成為一個系統(tǒng)，稱為協(xié)同設計系統(tǒng)，通過這種統(tǒng)一的平臺開展設計工作，可以減少由多企業(yè)、多專業(yè)、多個技術(shù)人員等帶來的因溝通不暢或者文件版本不統(tǒng)一導致的錯、漏等問題，使得整個研制價值鏈能夠無縫、安全地共享知識和信息，創(chuàng)建、積累并重用各個產(chǎn)品系列的最佳實踐等內(nèi)容，同時由于可以通過協(xié)同并行開展設計、工藝等工作，相應整合、規(guī)范與精簡了設計流程和制造流程，減少了規(guī)劃與準備時間，提高了全生命周期的設計效率與生產(chǎn)管理效率，對設計項目的進度管理、人員負荷管理、審批流程管理、模型管理、構(gòu)型管理等規(guī)范化管理亦具有極大的促進作用。

3.2 關聯(lián)設計在航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)協(xié)同設計中的應用

下面以總體、風扇增壓級部件方案設計階段的結(jié)構(gòu)協(xié)同設計為例，來說明關聯(lián)設計技術(shù)在航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)協(xié)同設計中的應用，基本過程如下：

(1)在方案設計的開始，總體結(jié)構(gòu)專業(yè)進行發(fā)動機的頂層結(jié)構(gòu)設計，以便各部件及系統(tǒng)在同一環(huán)境下進行協(xié)同和關聯(lián)設計。首先總體結(jié)構(gòu)設計者建立并發(fā)布整機控制模型，包括定義整機坐標系和各部件坐標系，定義各部件氣動界面及接口，在此基礎上進行總體結(jié)構(gòu)初步方案設計，建立航空發(fā)動機總體方案初步布局模型，包括風扇增壓級、壓氣機、燃燒室、渦輪等初步模型。

(2)根據(jù)整機初步模型進一步細化整機控制模型，并在總體專業(yè)內(nèi)部迭代完善后通過協(xié)同設計平臺再次發(fā)布，供部件及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等專業(yè)關聯(lián)引用。部件及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)專業(yè)根據(jù)總體結(jié)構(gòu)專業(yè)發(fā)布的控制模型開始進行方案階段部件及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制模型及模型的建立，如風扇增壓級中控制模型的建立，首先關聯(lián)引入總體結(jié)構(gòu)控制模型中的部件坐標系、風扇機匣前后端面、中介機匣前后端面、流道控制面等控制元素要求，同時新增建立葉片型面為控制元素。風扇增壓級方案模型關聯(lián)引用控制元素要求，使多個設計者在同一部件控制模型要求下，參考初步模型，進一步建立風扇機匣、中介機匣、帽罩、流道板等方案模型，最終完成風扇增壓級方案階段模型的設計。

(3)當控制模型發(fā)生變更時，關聯(lián)的模型自動更新，當控制模型中尺寸1由239變更為242時，風扇軸模型尺寸2無需修改，自動更新為242。

4 結(jié)語

本文通過分析MBD技術(shù)及關聯(lián)技術(shù)在發(fā)動機結(jié)構(gòu)沒計中的表述方法，對航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)協(xié)同設計中的MBD關聯(lián)設計技術(shù)的應用進行了初步探討。由于MBD關聯(lián)協(xié)同設計技術(shù)可以通過唯一數(shù)據(jù)源，使上下游信息及時快速而準確地傳遞，從根本上促進設計質(zhì)量與效率的提高，縮短產(chǎn)品的研制周期，因此MBD關聯(lián)設計技術(shù)的應用將為航空發(fā)動機產(chǎn)品研制帶來巨大收益。