起落架作為飛機(jī)重要的承力且兼具操縱特性的部件，在飛機(jī)起飛、著陸、滑行和地面停放過(guò)程中承擔(dān)關(guān)鍵角色盯。在起落架設(shè)計(jì)中，面臨著諸多挑戰(zhàn)，如在起落架設(shè)計(jì)的不同階段，接口參數(shù)需與主機(jī)進(jìn)行多輪協(xié)調(diào)和反復(fù)修改，使設(shè)計(jì)方案不斷變化；起落架設(shè)計(jì)單位之間、設(shè)計(jì)與制造單位之間人員和資源多地布局，技術(shù)和信息需頻繁進(jìn)行交互和協(xié)作；起落架系統(tǒng)零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及工藝因素繁多，關(guān)鍵參數(shù)受制于試驗(yàn)結(jié)果，研制周期緊張等。面對(duì)上述挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的以單機(jī)單用戶為核心的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法已阻礙了現(xiàn)代飛機(jī)起落架設(shè)計(jì)的發(fā)展。

因直觀、高效、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，三維協(xié)同設(shè)計(jì)已在水利水電工程設(shè)計(jì)和航空器設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。本文以公司基于ENOVIA VPM開(kāi)發(fā)完成的飛機(jī)起落架設(shè)計(jì)協(xié)同系統(tǒng)為基礎(chǔ)平臺(tái)，通過(guò)人員組織權(quán)限管理，鎖機(jī)制、權(quán)限傳送控制等安全機(jī)制，利用關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)、基于模型的定義技術(shù)和設(shè)計(jì)復(fù)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)某型飛機(jī)起落架的三維協(xié)同和并行設(shè)計(jì)，為現(xiàn)代飛機(jī)起落架設(shè)計(jì)提供了有效的新方法。

協(xié)同設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)

1.統(tǒng)一數(shù)據(jù)源

傳統(tǒng)基于單機(jī)CAD工具的飛機(jī)起落架數(shù)字化設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)離散地分布于各設(shè)計(jì)員的計(jì)算機(jī)中，使用時(shí)各專業(yè)間數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬟f，間接引用（如圖1所示），不僅效率低下，而且準(zhǔn)確性和一致性難以保證。基于ENOVIA VPM的飛機(jī)起落架設(shè)計(jì)協(xié)同系統(tǒng)提供了“電子倉(cāng)庫(kù)(Vauit)+數(shù)據(jù)庫(kù)(DB2)”的統(tǒng)一數(shù)據(jù)源存儲(chǔ)和管理機(jī)制，各相關(guān)專業(yè)設(shè)計(jì)人員通過(guò)統(tǒng)一的客戶端登陸系統(tǒng)，基于同一服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)源的唯一性和共享性，而且可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)備份。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，為典型的C/S架構(gòu)，服務(wù)器端電子倉(cāng)庫(kù)（Vault)存儲(chǔ)物理文件數(shù)據(jù)，包括幾何模型文件和文檔數(shù)據(jù)等，而數(shù)據(jù)庫(kù)(DB2)存放數(shù)據(jù)對(duì)象的屬性信息和前述物理文件的索引信息。

圖1 基于單機(jī)CAD工具的飛機(jī)起落架設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳遞

圖2 基于ENOVIA VPM的飛機(jī)起落架設(shè)計(jì)協(xié)同系統(tǒng)架構(gòu)

2.數(shù)據(jù)安全性保障

統(tǒng)一數(shù)據(jù)源帶來(lái)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)人員組織權(quán)限管理、鎖機(jī)制和權(quán)限傳送控制保證了數(shù)據(jù)安全和穩(wěn)定。

2.1 人員組織權(quán)限管理

飛機(jī)起落架設(shè)計(jì)協(xié)同系統(tǒng)中的人員組織包含項(xiàng)目、組織、角色和人員4大元素，可以分別進(jìn)行權(quán)限控制。項(xiàng)目、組織、角色3項(xiàng)形成一個(gè)上下文，每位設(shè)計(jì)員可用不同上下文登陸系統(tǒng)進(jìn)行工作。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)對(duì)象的操作和訪問(wèn)權(quán)限主要包括：創(chuàng)建、刪除、瀏覽、修改、傳送所有權(quán)、加鎖/解鎖、升級(jí)/降級(jí)等，權(quán)限管理機(jī)制如圖3所示。通過(guò)授權(quán)(Privilege)和遮罩(Mask)兩種方式實(shí)現(xiàn)權(quán)限控制，其主要區(qū)別在于：授權(quán)用來(lái)定義安全的對(duì)象方法（如創(chuàng)建、刪除、修改等），而遮罩用來(lái)定義安全的對(duì)象訪問(wèn)（如對(duì)象屬性的可見(jiàn)性及訪問(wèn)權(quán)限等）。

圖3 人員組織權(quán)限管理機(jī)制

2.2 鎖機(jī)制

在傳統(tǒng)飛機(jī)起落架設(shè)計(jì)過(guò)程中，數(shù)模的傳遞和修改不受限制，往往是數(shù)模所有者將數(shù)據(jù)向使用者傳遞出去的同時(shí)就失去了對(duì)其有效性和準(zhǔn)確性的控制。

而在設(shè)計(jì)協(xié)同系統(tǒng)中，無(wú)論是通過(guò)LCA客戶端對(duì)模型屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，還是通過(guò)Navigator客戶端在CATIA中直接對(duì)數(shù)模幾何形狀、鏈接、實(shí)例位置等進(jìn)行修改，必須首先對(duì)該模型進(jìn)行鎖定。只有被鎖定的數(shù)據(jù)對(duì)象，其修改才會(huì)被保存進(jìn)VPM數(shù)據(jù)庫(kù)；而被所有者鎖定的數(shù)據(jù)，其他人員僅可瀏覽無(wú)法修改，這避免了對(duì)同一數(shù)據(jù)的同時(shí)寫(xiě)入風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 權(quán)限傳送控制

權(quán)限傳送功能允許數(shù)據(jù)對(duì)象所有者將所有權(quán)傳送給其他人員，這些數(shù)據(jù)對(duì)象包括：零部件參考、零部件實(shí)例、文檔和技術(shù)包。通過(guò)權(quán)限傳送控制，主任設(shè)計(jì)師可以首先創(chuàng)建完成產(chǎn)品部件結(jié)構(gòu)樹(shù)，然后將不同部件的權(quán)限傳送給相應(yīng)主管設(shè)計(jì)人員，各設(shè)計(jì)人員可以分別對(duì)自己具有所有權(quán)的產(chǎn)品同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)并保存進(jìn)VPM數(shù)據(jù)庫(kù)，并行工作，互不干涉。

協(xié)同設(shè)計(jì)方法

1.基于骨架的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)

關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)是一種創(chuàng)建產(chǎn)品與其上下文中零部件之間幾何鏈接關(guān)系，管理產(chǎn)品設(shè)計(jì)生命周期過(guò)程中因果聯(lián)系的技術(shù)，它改變以往通過(guò)尺寸驅(qū)動(dòng)、裝配約束零部件自底向上生成產(chǎn)品的方法，轉(zhuǎn)而采用先建立產(chǎn)品總體站位和布局的點(diǎn)、線、面（即骨架模型）后通過(guò)骨架模型約束和驅(qū)動(dòng)零部件形狀和位置的自頂向下的方法，從而實(shí)現(xiàn)骨架模型的更改直接帶動(dòng)零部件形狀和位置的更新，如圖4、圖5所示。通過(guò)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，可以在進(jìn)行數(shù)模修改之前就提前預(yù)估其原因和影響，提前評(píng)估修改代價(jià)，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。

圖4 基于骨架的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)

圖5 基于骨架的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)應(yīng)用

基于骨架的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)優(yōu)化了起落架設(shè)計(jì)過(guò)程中各專業(yè)室之間的協(xié)作模式，特別是在方案設(shè)計(jì)階段信息和參數(shù)多變的情況下，將設(shè)計(jì)員各自為戰(zhàn)、口頭協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)榻y(tǒng)一基準(zhǔn)（即依賴于關(guān)鍵參數(shù)的骨架模型）、流程化和層次化的設(shè)計(jì)過(guò)程，提高了設(shè)計(jì)效率?；诠羌艿年P(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 基于骨架的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)流程圖

2.基于成熟度的生命周期控制

基于成熟度的生命周期控制是并行工作界面劃分的基礎(chǔ)，為不斷迭代的多專業(yè)協(xié)同關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)變更提供了規(guī)范機(jī)制。根據(jù)飛機(jī)起落架設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)基本流程，將不同專業(yè)工作劃分為若干級(jí)成熟度，并對(duì)相應(yīng)成熟度的權(quán)限和檢查機(jī)制進(jìn)行定義，如MA4代表確定材料，MA7凍結(jié)后無(wú)法修改數(shù)模。

3.基于模型的定義技術(shù)

隨著三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，基于模型的定義(Model Based Definition，MBD)技術(shù)被廣泛采用。MBD是指由精確幾何實(shí)體、相關(guān)3D幾何、3D標(biāo)注及屬性構(gòu)成的數(shù)據(jù)集定義的完整的產(chǎn)品定義，其數(shù)據(jù)組織形式如圖7所示。

圖7 MDB模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在飛機(jī)起落架三維協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)MBD技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品特征的數(shù)字化描述和共享，以滿足設(shè)計(jì)和制造信息直接傳遞的需求，使基于數(shù)字化平臺(tái)的協(xié)同設(shè)計(jì)成為可能。

4.設(shè)計(jì)復(fù)用技術(shù)

起落架設(shè)計(jì)常采用工藝成熟的材料，如大量選用HB、GJB等標(biāo)準(zhǔn)件，優(yōu)先選擇其他型號(hào)產(chǎn)品在用的成品件，以滿足航空產(chǎn)品高可靠性和嚴(yán)格的壽命要求。為減少重復(fù)建模工作量，提高材料、標(biāo)準(zhǔn)件及成品件數(shù)據(jù)一致性，應(yīng)采用設(shè)計(jì)復(fù)用技術(shù)建立和維護(hù)起落架設(shè)計(jì)用材料庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)和成品件庫(kù)。

材料庫(kù)的創(chuàng)建直接使用CATIA自帶的“材料庫(kù)(Material Librarry)”命令，創(chuàng)建CATMaterial類型的文件，新建和編輯相應(yīng)的系列(Family)和材料屬性，并保存至VPM。標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)和成品件庫(kù)的創(chuàng)建和維護(hù)均使用“目錄編輯器(Catalog Editor)”命令，創(chuàng)建相應(yīng)的catalog類型文件并保存至VPM；標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)創(chuàng)建采用設(shè)計(jì)表進(jìn)行參數(shù)化和系列化設(shè)計(jì)。

應(yīng)用實(shí)例

將本協(xié)同設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于某型飛機(jī)起落架設(shè)計(jì)，技術(shù)路線如圖8所示。

圖8 某型飛機(jī)起落架三維協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)路線

1.人員組織權(quán)限創(chuàng)建

根據(jù)某型飛機(jī)起落架設(shè)計(jì)流程，在系統(tǒng)默認(rèn)角色和上下文基礎(chǔ)上，建立兩類角色：數(shù)據(jù)管理員(SJADM)和設(shè)計(jì)員(DESIGN)。

2.產(chǎn)品結(jié)構(gòu)創(chuàng)建

按照某型飛機(jī)起落架功能及結(jié)構(gòu)組成，根據(jù)構(gòu)型管理規(guī)定，根據(jù)各專業(yè)業(yè)務(wù)分工，總體、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、控制等相關(guān)專業(yè)設(shè)計(jì)人員可選擇產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)中各自上下文進(jìn)行協(xié)同工作。

3.資源庫(kù)創(chuàng)建

創(chuàng)建了包含螺栓、密封件、軸承、充氣嘴、機(jī)輪、輪胎等在內(nèi)的飛機(jī)起落架設(shè)計(jì)常用標(biāo)準(zhǔn)件及成品件資源庫(kù)。

4.骨架模型

根據(jù)接口控制規(guī)范建立的起落架總體布局骨架模型。

5.關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)

依據(jù)建立的起落架總體布局骨架，創(chuàng)建并豐富前、主起骨架，基于骨架模型進(jìn)行前主起落架關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。前起外筒的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，最終關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)完成的前起落架。

結(jié)論

根據(jù)飛機(jī)起落架設(shè)計(jì)依賴主機(jī)接口、方案多變、異地協(xié)同、研制周期緊張的特點(diǎn)，以基于ENOVIA VPM開(kāi)發(fā)完成的飛機(jī)起落架設(shè)計(jì)協(xié)同系統(tǒng)為平臺(tái)進(jìn)行了三維協(xié)同設(shè)計(jì)方法研究，并成功應(yīng)用于某型飛機(jī)起落架設(shè)計(jì)：

(1)創(chuàng)建人員組織并賦予角色，通過(guò)權(quán)限控制，實(shí)現(xiàn)兩類角色（數(shù)據(jù)管理員和設(shè)計(jì)員）不同的操作流程和權(quán)限功能；

(2)根據(jù)飛機(jī)起落架的構(gòu)型管理特點(diǎn)，創(chuàng)建了扁平化的起落架產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)，利于不同專業(yè)設(shè)計(jì)人員并行設(shè)計(jì)；

(3)創(chuàng)建飛機(jī)起落架設(shè)計(jì)常用標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)和成品件庫(kù)，一次建立，長(zhǎng)期使用，提高了建模效率；

(4)嚴(yán)格按照起落架系統(tǒng)接口控制文件要求，創(chuàng)建起落架骨架模型，并基于骨架模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)和協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)起落架設(shè)計(jì)的自頂向下和自底向上的結(jié)合。

研究結(jié)果表明，基于ENOVIA VPM的飛機(jī)起落架協(xié)同設(shè)計(jì)，提高了研制效率，為現(xiàn)代飛機(jī)起落架設(shè)計(jì)提供了便捷和有效的技術(shù)手段。