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知识驱动的飞机零部件智能设计方法研究与应用
2017-05-31 16:52:20  作者:周小波 刘俊堂 张石磊   来源:互联网
  •   随着全三维设计技术的广泛应用,三维模型已贯穿于设计制造的各个环节,不仅实现了设计理念和方式的变革,保证了设计制造数据的唯一性,也成为航空企业数字化产品的核心知识与重要资源。基于MBD(ModelBasedD ...

  随着全三维设计技术的广泛应用,三维模型已贯穿于设计制造的各个环节,不仅实现了设计理念和方式的变革,保证了设计制造数据的唯一性,也成为航空企业数字化产品的核心知识与重要资源。基于MBD(ModelBasedDefinition)的全三维设计是以集成的三维模型为核心,通过全三维定义技术来实现产品信息完整地表达,使三维模型除了包含几何信息外,还详细描述了零部件的模型属性、工程注释、连接关系、尺寸公差、加工工艺和检验要求等属性信息,使MBD模型成为产品研制的唯一依据,为产品设计、试验打样、工艺规划、工装设计和加工制造等研制环节提供统一的数据支持。但是,在应用CATIA软件建模过程中,许多复杂、繁琐的问题也日益凸现,如重复性工作多、费时费力,需要花大量时间、精力检查模型的规范性,设计知识、经验不能很好保存,难以进行创造性工作等。因此,如何更好地积累设计过程中的经验,避免设计师不必要的重复劳动,成为全三维数字化设计应用面临的一个重要问题。

  针对全三维设计的上述问题,本文提出一种飞机零部件智能设计方法,基于组件应用架构CAA(Component Application Architecture)二次开发技术对CATIA软件进行定制开发,扩展功能,实现辅助工具与商业软件的高度集成,保证设计数据规范化能够快速重用,形成零部件设计知识库,支撑全三维关联设计的智能设计环境构建,为基于模型的航空产品设计、制造、服务一体化奠定了良好的基础。

  1 基于MBD的全三维设计技术分析

  按照产品组织形式,MBD模型可分为零件和装配模型,包含几何信息和非几何信息。零件MBD模型是由零件几何模型、属性信息、公差标注和制造等信息组成,其中,以三维实体的形式描述零件的几何形状,以CATIA软件的参数形式描述材料、重量、设计要求和版次等属性信息。装配MBD模型是一个特殊的零件,也叫8001模型,用来描述该装配件的下级零件之间的装配连接关系以及紧固件信息。

  通过对型号研制中零部件设计流程的分析与梳理,设计人员在线开展工作,业务流程如图1所示。首先创建零部件节点后,应用设计工具构建点、线和面等几何实体,然后根据零件类型创建三维标注模板,添加零件工程注释,提取装配MBD模型连接定义中的标准件信息,完善模板中的材料、重量、版次和设计说明等属性信息,然后对几何模型和属性信息进行规范化检查,最后生成各类报表,提升数据成熟度后启动数据签审及发放流程。

  

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  图1 全三维零部件设计流程

  通过对零部件设计流程的梳理,发现应用MBD技术进行产品设计时,除了构建三维几何实体模型外,模型属性信息的查询、添加、修改和检查等操作繁琐,耗费时间长,易出现低级错误;建模知识经验不易积累,更难以重复利用。此外,飞机设计、制造配套的文件体系仍多以二维为主,不能适应全三维设计的需求。

  (1)材料、工程注释和加工工艺等属性信息的创建与组织,因型号不同而具有较大差异性,手动填写时不规范且工作量大,同时,需要与材料库、附注库等信息库集成;

  (2)长桁、框及角片等典型结构件,因设计师不同而具有多种设计方法或流程,不易提取设计数据且难以重用模型;

  (3)零部件设计完成后,无法准确地检查几何元素和属性信息是否完整、合理,零件之间是否存在干涉,通常在数据审签环节被发现后需要重新迭代;

  (4)工程材料清单(Engineering Bill Of Materials,EBOM)是设计数据向制造环节传递的一项必要文档,设计师从产品三维模型复制提取时,内容繁多、数据冗长,经常出现不必要的错误。

  2 面向知识的零部件智能设计方法

  通过分析在全三维设计环境中不同类型零部件的设计特点及存在问题,有必要对全三维设计模板、基于特征的典型结构件构建、零件规范化检查和属性映射等关键技术进行研究,集成已有的设计知识经验,减轻设计师的重复劳动,开发适用于型号研制的全三维设计工具,建立飞机零部件设计知识库,实现知识驱动的飞机零部件智能设计与建模。

  2.1 基于XML的全三维设计模板构建

  全三维设计模板用来在零件特征树上组织和管理零部件的非几何信息,零件模板包括材料描述、设计依据、模型属性、工程注释等属性信息。模型属性描述零件的重量、版次、对称性等信息;工程注释包含热处理、表面处理和油漆涂层等设计给出的工艺信息。装配件模板与零件模板略有不同,增加了“连接定义”,表示该装配件中零件与零件的连接关系。属性类别用CATIA软件的几何图形集表示,属性信息用参数变量表示,如图2所示。

  

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  图2 全三维设计模板

  全三维设计模板与零件编码库、材料库、工程附注库及标准库等实现信息共享交互,能够支持产品快速编码,辅助设计快速获取所需信息,自动计算零部件重量、重心及惯性矩等属性,实时积累设计知识。同时,可以通过XML文件的配置,实现符合不同型号需求的零件标准特征树的规范化、自动化构建。

  2.2 基于特征的典型结构件的快速设计

  特征设计是全三维设计技术的又一显著特点,是为某种工程应用而预先构想的模型,也是零件几何模板的一种体现形式。基于MBD的特征定义,能够更真实的表达设计意图,使知识的抽取及利用变得更容易。

  基于特征的典型结构件的快速设计,是通过总结、提炼零件设计知识和标准规范文件,优化特征建模流程,建立典型零件特征设计模板库,进而应用CATIA二次开发及知识工程技术,构建基于特征的典型零件快速设计工具。设计师选择标准参数以及参考元素后,在零件模板上实例化生成典型特征,如下陷、减轻孔等,实现典型零件的规范化、最优化设计。图3为基于特征的典型结构件的设计流程。

  

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  图3 基于特征的典型结构件的设计流程

  2.3 零部件规范化检查

  产品数字化模型未采用统一的设计规范,是全三维设计技术应用过程中最常见的问题,不合理的建模顺序使数模无法参数化、系列化设计,没有材料或质量等信息导致CAE部门无法进行强度、重心分析工作,不能满足VPM系统对产品数据管理的要求等。

  零部件规范化检查面向数字化设计与制造,解决手工状态下MBD模型检查过程中工作量大、效率低的问题,快速准确地检查产品设计模型的规范性和合理性,使设计师把更多的精力用于具有创造性的工作中。

  规范化检查知识分为几何类与非几何类2种。几何类检查,如圆角半径检查、当前工作对象检查、零件更新检查、重量等属性值检查等;非几何类检查,如结构树规范性检查、命名(编码)规范性检查、参数对应关系检查等。

  2.4 属性映射

  飞机数字化协同研制平台为多家参研单位提供了基于分布式单一数据源的统一设计环境,能够保证异构PDM系统的数据唯一性、消除地域协同设计障碍。在型号研制中全面推行全三维设计后,需要从三维模型中提取零部件的属性信息,再利用CATIA本身提供的通信机制进行客户端与服务器端的信息交互,将属性存储至应用服务器对应字符中,然后通过异构系统集成接口传递至下游系统,最终支持零部件EBOM自动生成。图4为属性映射流程。

  

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  图4 属性映射流程

  2.5 左右件对称

  飞机是典型的左右对称结构,但右件三维数模不作为工厂制造依据,只作为外形参考。基于MBD的全三维设计时,设计师使用CATIA已有的软件功能,根据左件实体生成右件外形时,需要更改零件编号,复制、黏贴实体等大量重复性工作,工作效率不高;此外,左右件之间的关联链接不能保留,左件更改时右件不能关联更改,造成左右件模型不能同时更新,出现模型差异。

  在对工程需求的分析基础上,通过研究全三维关联设计环境下的CATIA软件零件复制、镜像及保存机制、零件实体抽取技术,建立零部件节点及实体、左右件对称链接平面自动创建方法,实现基于左件的右件快速创建,驱动设计及更改快速传递,支持材料及重量等属性的提取。

  3 全三维智能设计环境构建方法

  3.1 系统功能架构

  针对全三维设计的工程应用目标,通过研究全三维设计规范化建模方法,构建符合规范的零部件设计模板,实时积累设计经验。该软件系统架构包含数据层、功能层、业务层和用例层。数据层通过知识挖掘和抽取、整合型号工程信息,形成设计模板、工程附注、零件特征等数据库,支撑软件数据需求;业务层的MBD模板创建、通用附注管理、结构件快速建模、规范化检查、属性映射和左右件对称等功能以插件的形式嵌入零件设计、装配设计核心模块中,实现与CATIA软件的无缝集成。图5为全三维设计环境系统架构。

  

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  图5 全三维设计环境系统架构

  3.2 基于CAA二次开发技术的软件设计

  CAA是达索产品扩展和客户进行二次开发的强有力工具,也是基于组件对象模型技术(COM)的应用软件,具有开放化、可扩展的特点。企业工程应用中会出现大量软件定制开发的工程需求,二次开发就是把商品化、通用化的CAD系统用户化、本地化,开发符合企业实际应用需求的专业性、集成性软件。基于CAA的二次开发,可使CATIA软件具有用户需求的扩展功能和交互界面,集成大量专业设计人员的实际经验,提高设计效率。它通过快速应用研发环境(RADE)和接口程序(API)来实现程序开发,首先在工作台环境中嵌入工具条或菜单,布置与CATIA风格类似的对话框,然后通过数据库操作,实现零件模板管理和交互式操作等功能。

  (1)接口设计

  接口设计包括工具条、菜单的嵌入,通过调用CATIA的Implementation来实现。首先用户需要扩展Interface对象,定义插入描述类,如零件设计对应的模式为“CATIPrtWksAddin”;然后使用CreateCommands()方法来实例化一个命令,建立按钮菜单和对话框的联系;再用CreateToolBars()方法来创建工具条及菜单,代码如下:

  NewAccess(CATCmdStarter,pStencil,PartStencil);

  SetAccessCommand(pStencil“,PartStencil”)。

  (2)交互功能的实现

  交互式操作功能包括用户能够选择CATIA中的零部件对象并获取属性信息,也能够根据用户输入参数或数据库信息修改零件模型、属性信息等。全三维设计工具通过CAA提供的各种接口及其继承关系,逐级获得零件的几何信息和属性信息,主要步骤如下:

  Step1:捕获部件选择对象(AddElementType);

  Step2:获取对象路径(CATPathElement),通过GetValue()方法获得对象;

  Step3:遍历所选部件,获取当前各个零件对象所关联的文档(CATDocument)和零件特征容器(CATIPrtContainer);

  Step4:通过GetPart()方法获取当前特征树对象(MechanicalPartfeature),修改零件属性;

  Step5:添加、修改及显示点、线、面和几何图形集。

  4 工程应用

  本文以某型号工程需求为牵引,参考设计人员工程经验及标准规范,应用基于CAA的CATIA二次开发技术,开发了MBD模板、特征化建模、左右件对称等使能工具,形成了一整套支持全三维设计的工具集,从而支撑零部件快速智能设计。

  (1)应用MBD模板工具后,设计人员根据零件类型创建设计模板后,软件自动计算填写材料、重量等属性信息,然后从通用附注库中选择所需的热处理、表面处理、特种检查等工程的附注,接着在提升零件成熟度之前,通过属性映射方法提取零件特征树中的属性并映射至系统属性中,最后自动生成EBOM,进而支持数据审签。该工具可以完全支持非几何信息提取和EBOM自动生成工作,减少手工填写属性、更改设计信息表产生的错误,至少能够提高工作效率30%以上。图6为MBD模板工具。

  

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  图6 MBD模板工具

  (2)结构件的快速设计工具集成了大量标准文件和知识经验,规范了结构件特征建模过程,简化了结构件的设计流程,提高了模型的建模准确度及可重复使用率。图7所示为某下陷的建模过程,应用CATIA原有功能需要15步操作,花费5~8min时间;应用该工具只需要5步操作(1~2min)就可以实现相同功能,极大地提高了建模效率。

  (3)左右件对称工具支持在关联设计环境下根据左件自动对称右件的节点及外形实体,建立左右件之间的对称性链接关系,驱动左件信息传递,保证设计及更改信息的准确传递。图8所示为某型飞机机翼左右件对称示意图,工程应用证明,该工具能够节约设计师宝贵的工作时间、缩短产品设计周期。

  

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  5 结束语

  全三维设计技术从根本上改变了产品的研制方式,保证了飞机研制过程中设计制造数据的一致性,驱动了设计更改的准确传递,为数字化飞机研制奠定了基础。本文提出了一种面向全三维设计的零部件快速设计方法,针对不同类型飞机零部件设计的特点,研究了机加、钣金、复材、管路和线束零件的几何特征及非几何信息在三维实体模型中的表达方法,通过在型号研制中的工程实践,构建了一套完整的全三维设计工具集,能够有效地提高设计师的工作效率,减少设计错误,使模型设计更改简单易行,同时促进了全三维设计技术在型号研制中的推广及应用,为多专业关联设计奠定了基础。



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