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某型发动机标准件数字化设计方法研究与应用
2017-04-06 19:48:34  作者:季江宁 司荣宁 王桂华   来源:互联网
  •   现代信息技术的迅猛发展,使航空发动机产品设计进入了一个从二维平面设计走向以三维模型设计为主流的数字化时代。利用高档CAD软件建立产品的三维参数化模型在航空产品设计过程中,已被广泛推广应用。根据型 ...

  现代信息技术的迅猛发展,使航空发动机产品设计进入了一个从二维平面设计走向以三维模型设计为主流的数字化时代。利用高档CAD软件建立产品的三维参数化模型在航空产品设计过程中,已被广泛推广应用。根据型号数字化研制要求,某型发动机统一采用基于NX和Teamcenter的集成平台进行全三维数字化设计和协调,采取异地协同项目管理。小零件是发动机装配的联结纽带,某型发动机首次实现了小零件由“设计出图”向“设计选用”的转变,即完成小零件向标准件的转变。因此,标准件全三维数字化设计必须先行。那么如何在NX和Teamcenter系统的协同环境里建立规范化的标准件三维模型,如何在其中快速找到自己想要的模型,进而快速加载;如何统一和管理数据源,使其适用不同厂所等,是摆在我们面前亟待处理和解决的重大问题。本文着重介绍了我所在这方面的成功实践。

  1 背景

  1.1 某型发动机设计工作的需要

  由于某型发动机要求全三维设计,而且其研制需要多厂、所协同工作,在现有的设计模式下,单一场所内的PDM内的模型数据虽然成系列,但是无法有效转移到其他协作的应用场所。到最终制造部门时,因为引用不同来源标准件带来的建模可能存在的问题才会显现。某型发动机专用标准件库要求可在几个厂所统一使用,而且各厂所建模时数据始终要保持一致,以避免不完备的设计和建模操作引发的问题。为满足协同设计制造工作的需要,促进标准化管理,基于Teamcenter2007和NX7.5平台建立标准件库,并可以在厂所间同步标准件数据,以辅助工程技术人员完成产品的全三维设计的标准件模型管理软件是型号设计工作中必须单独开展的工作。

  1.2 行业发展的需要

  行业的发展要求适时地建立发动机标准件数据库。“运用信息技术改造传统产业,以信息化带动工业化,实现技术跨越式发展”是国务院提出的一项重大发展战略。在信息技术应用中,数字化设计越来越受到重视,应用也越来越广泛,尤其在航空、航天等领域。特别是随着型号深入开展,行业内的协同设计工作会越来越多。因此,要改变传统的设计方式,适应行业发展的需要,客观上要求必须建立发动机标准件全三维数字化设计体系。另外,由于航空发动机用标准件与民用的不同,有其自身的特殊性,使得我们站在行业的高度、综合考究而建立的统一数据源的发动机标准件库更能突出其行业性。

  1.3 我所小零件设计工作未来发展的需要

  发动机标准件数据库是应某型发动机全三维设计工作的需要而建立的,随着型号研制工作的不断深入,它也将得到继续完善和扩展,可在简单的扩展和维护之后应用到模型数据管理的更多领域,以适应我所小零件工作未来发展的需要。因此,发动机标准件库的建立不仅要满足当前型号研制的需要,更要着眼于未来满足其他机种的选用,这是由标准件通用性和互换性的特点所决定的。

  2 发动机标准件数字化设计体系

  2.1 发动机标准件全三维数字化设计体系的基本框架

  发动机标准件全三维数字化设计体系是根据某型发动机全三维设计对标准件的选用范围,按型号研制所需的标准件类型进行分类,其基本框架见图1所示。

  

图1 发动机标准件全三维数字化设计体系的构成

  图1 发动机标准件全三维数字化设计体系的构成

  发动机标准件全三维数字化设计体系囊括了某型发动机所选用的各种标准件。标准件库中的每个对象的信息(包括ID号、图号、名称、版本等)都是唯一的,因此它不仅便于查询和统计,也利于库的管理和扩充。

  上述结构是为了适应当前型号工作的需要,结合传统的小零件的分类习惯而建立的,必将随着小零件应用的需要而作进一步的完善。

  2.2 发动机标准件数字化设计体系的建立原则

  2.2.1 规范化设计

  由于全三维设计的标准化与传统的设计标准化不同,具有其特殊性,具有超前性或同步性。基于此我们在建立发动机标准件库之前,制定了一系列相关标准来规范,从而在技术上和管理上保证了体系的顺利建成,实现库的完整性和统一性。建库过程中严格执行了《基于NX建模通用要求》、 《基于NX模型装配要求》等建模和装配标准及文件。这些标准和文件规定了标准件建模和装配的通用要求、建模的流程等等,既有效地规范了建模过程,便于模型的检查与校核,保证了模型的质量;又促进了标准化管理,提高了管理效率。

  2.2.2 参数化设计

  除了严格执行上述建模和装配标准及文件外,标准件设计有着比其它零件更为严格的要求,即必须实行参数化设计。参数化设计是指系统通过尺寸驱动的方式,以独立的几何约束条件按既定的几何参数生成一系列具有相同几何特征的三维模型。完全的参数化建模和装配不仅满足了当前的工作需要,也为将来标准件模型数据的编辑提供了方便。

  图2为某一标准件的参数表达式。这些参数所控制的模型特征有一个共同的基点,而且其相对位置是固定的,通过改变参数的数值来完成一系列不同规格的标准件模型的构造。

  

图2 参数表达式

  图2 参数表达式

  参数化设计的模型是完全受约束的,它与非参数化设计相比,不仅使用灵活、方便,而且容易编辑,使用面广,还可为用户提供高质量、高水平的CAD数据模型。

  2.2.3 相关性设计

  标准件库由始至终贯彻NX主模型原理,它在系统中是唯一以电子介质存在的NX零件三维模型数据文件,除主模型文件外,其余所有Part文件的建立均按NX主模型原理进行,以完整一致地描述产品信息。系统通过应用主模型原理,保证了各个设计阶段的数据全相关,在组件装配(零件变化时,组件中该零件也相应变化)中,体现得尤为明显。

  我们在建立标准件库时,还利用零件簇对小零件进行数字化设计,使模型与其生产的成员文件保持完全相关,非常便于数据的统一编辑和修改,大大提高了工作效率。所谓零件簇是指已经设计的具有类似几何形状(如圆、椭圆和多边形等),但物理尺寸不同(如长、宽和高等)的零件集合。

  图3和图4分别为某一构型的螺栓的主模型及其零件簇。在数字化设计体系中,标准件的设计经常用到零件簇,它也可以用来处理传统的表格图。

  

图3 某一构型的螺栓的主模型

  图3 某一构型的螺栓的主模型

  

图4 零件簇表格

  图4 零件簇表格

  零件簇的优势主要表现在以下两个方面。

  ·实现了模型几何数据和主要设计变量的分离控制;

  ·减少了系统管理的难度,按需要生成所需的模型文件。

  2.2.4 集成性设计

  发动机标准件库强调数据的可管理性,它与PDM系统软件紧密配合使用,集成性好,为网络基础上的全三维标准件的选用提供了可能。其集成性见图5。

  

图5 系统架构图

  图5 系统架构图

  2.2.5 灵活性原则

  为了安全和具有更大的灵活性,使用资源库中“型号视图”模块来管理外界所能看到的数据形式见图6,以避免用户访问到还不成熟或者正在商榷准备的数据。由于标准件库中的模型数据既可以来自TC,也可以来自资源库,也增加了模型使用的灵活性。

  2.2.5 一致性原则

  当一个场所内使用的标准件库想转移到其他研究所或生产机构中的时候,资源库可以作为一个媒介将模型文件有序地转移到其他场所的TC中。标准件库中的模型与TC中进行同步就是为了满足这种数据一致性而采取的措施。

  

图6 用户所见的数据形式

  图6 用户所见的数据形式

  2.2.6 数据唯一性原则

  在标准件库建立过程中,按照集团公司信息编码管理中心有关物品码的应用和管理要求,首次对标准件模型统一赋予8位物品码,用以表示每一种模型只有一个物品码,每一个物品码只表示一种模型。物品码作为模型数据的ID,不仅有利于数据的管理和使用,更为工厂的后续使用和管理提供方便。

  3 某型发动机标准件数据库的建立及意义

  3.1 某型发动机标准件数据库的建立

  我所的发动机标准件数据库基于NX7.5软件,包括标准件的建模、装配,与Teamcenter2007软件配合使用,并通过制定一系列相关标准加以规范而形成的。它完全按照相关的建模流程和规范进行创建和编辑。它既可以适用于Teamcenter的更高版本,也可以支持NX更高版本阅览和修改。以实用性和可扩展性为基本原则而建立的发动机标准件数据库,是基于某型发动机全三维数字化设计工作所必需和急需的。以满足实用、急需为前提,目前,己建立各类标准件模型近3700个,其中某型号标准件2693件、国标标准件100余件、国军标标准件300余件、航标标准件500余件和其它标准件近100件。

  3.2 某型发动机标准件数据库建立的意义

  3.2.1 标准件全三维数字化设计是发动机装配、计算、强度分析等工作的前提条件

  在传统的设计过程中,标准件和外购件不需要单独出图,但在PDM系统中,标准件的全三维数字化设计成了必不可少的环节。如组件模型装配,强度计算和校核,重量、重心及转动惯量的计算及各种报表的生成等都离不开它。

  3.2.2 标准件数据库的建立提高了设计效率,保证质量,节约成本

  标准件数据库的建立主要解决了技术人员在产品设计过程中,在重用己存在的标准件模型时,手工查找所需的标准件模型速度慢、易出错的问题,从而使设计人员把更多的精力用于具有创造性的工作中去,减少设计人员的设计错误,可以大幅度提高设计效率,稳定标准件模型的设计水平,提高标准件重用率,缩短新产品的设计周期,从而达到降低成本的目的。

  3.2.3 标准件数据库为设计人员选用标准件提供便利

  标准件数据库具有超强的显示功能,用户可直观地看到每个标准号层次结构下所有的标准件列表信息,包括标准件的结构型式和尺寸规格,极大地方便了用户对标准件的选用,实现了面向对象即调即用的快捷服务。

  3.2.4 标准件数据库为异地协同项目管理提供技术支持

  某型发动机的研制采用异地协同项目管理,即由分散在异地的主研制单位和分研制单位,以现代信息技术为支撑手段,通过既有分工又相互协作的组织模式,充分发挥各单位的优势与能力共同参与的活动。研制过程中,主、分研制单位相互嵌套、相互影响,在技术、管理等方面进行大量的数据、信息的交流与支持。所以,各阶段的数据统一采用基于NX和Teamcenter的协同环境系统,既满足了以EBOM工程物料清单(Engineering bill of material)形式发放数据的需要,也提高了型号发动机协同设计制造的工作效率。

  4 发动机标准件数据库的使用

  4.1 标准件的搜索查询

  不论是单独启动NX,还是在Teamcenter中启动NX,都能实现对标准件模型的快速搜索和加载。标准件库应提供两种形式的搜索功能(见图6):一种是普通的,根据标准件的名称进行搜索的功能;另一种是用户需要根据某些约束条件(比如材料、直径小于XX,长度大于XX的螺栓件)下的高级搜索功能。

  普通搜索:在主界面的左上方的录入框内填入“十二角头螺栓”,然后点击“搜索”按钮,系统就会遍历树结构找到一个包含“十二角头螺栓”字样的节点名称,并展开。

  高级搜索:必须先在结构树上选择节点,而且这个节点下的数据必须具有同样的模板(具有相同的结构、尺寸参数等)。

  4.2 标准件的调用

  标准件的调用方法见图7。在NX环境下,打开标准件数据库,进入标准件库界面,进行搜索查询所需要的标准件,然后打开零件数据界面,选取调用所需标准件的某一系列尺寸的全三维的标准件模型即可。用户通过界面选择调用的标准件模型,既可以是某一单个标准件零件模型,也可以是附加了正确装配约束的标准件组件模型。

  

图7 零件的常规调用方法

  图7 零件的常规调用方法

  5 发动机标准件数据库的权限和维护

  标准件数据库的用户权限主要分为管理员权限和普通用户权限两种。管理员主要是定制、创建、维护标准件库,并给普通用户分配权限;普通用户主要是查找、检索、使用标准件库中的标准件信息。

  6 结束语

  虽然我们是以型号需要为主而逐步建立发动机标准件全三维数字化设计体系的,但它不仅己成功地应用于某型发动机验证机上,保证了发动机全三维数字化设计工作的需要,而且该系统强大的扩展性和继续定制开发的能力,成熟的应用框架和前后端扩展开发能力,可以在未来满足以模型文件为核心的数据管理的更多、更高需求。



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