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MBD技術(shù)在波音737-NX飛機(jī)上的成功應(yīng)用在飛機(jī)設(shè)計(jì)制造一體化領(lǐng)域掀起了一場變革， MBD自國外民機(jī)轉(zhuǎn)包生產(chǎn)引入中國以來，國內(nèi)北航等高校先后開展了基礎(chǔ)研究。文獻(xiàn)[1-2]對MBD模型的表達(dá)方式進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[3]對技術(shù)注釋在MBD模型中的表達(dá)進(jìn)行了初步解析，文獻(xiàn)[4-6]表明了國內(nèi)航空研究所在型號研制過程中開始了MBD技術(shù)應(yīng)用的嘗試，并在技術(shù)注釋、標(biāo)準(zhǔn)件的簡化表達(dá)及面向MBD模型的構(gòu)型管理方面經(jīng)過艱難的探索過程，取得顯著效果。國標(biāo)委在標(biāo)準(zhǔn)層面參考ISO16792標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，發(fā)布了國家標(biāo)準(zhǔn)《技術(shù)產(chǎn)品文件—數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》（GB/T 24734-2009），用以規(guī)范國內(nèi)企業(yè)的MBD 技術(shù)的應(yīng)用，目前主流的三維CAD系統(tǒng)也都開發(fā)了三維標(biāo)注的模塊，如CATIA 的FAT模塊，以支持三維標(biāo)注的應(yīng)用。文獻(xiàn)[7]提出了MBD工序模型快速生成方法，嘗試用MBD工序模型取代傳統(tǒng)的二維工藝卡。文獻(xiàn)[8]對MBD技術(shù)應(yīng)用中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了歸納總結(jié)，文獻(xiàn)[9]在MBD技術(shù)應(yīng)用的深度方面進(jìn)行解析，為MBD技術(shù)的深入應(yīng)用給以啟示。

筆者在民用大飛機(jī)適航取證過程中發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)的幾個(gè)重點(diǎn)民用飛機(jī)型號均采用了MBD技術(shù)，設(shè)計(jì)所MBD技術(shù)應(yīng)用程度較深，在局部應(yīng)用方面有所突破，但在制造領(lǐng)域的應(yīng)用還不夠深入，MBD應(yīng)用缺少頂層設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還不夠健全，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)源不唯一，制造廠對設(shè)計(jì)所提供的數(shù)據(jù)元無法直接重構(gòu)利用，尤其在進(jìn)行BOM提取、構(gòu)型審核時(shí)，設(shè)計(jì)構(gòu)型和制造構(gòu)型差異對比分析仍缺少先進(jìn)的方法和手段，MBD集成應(yīng)用體系尚未完全形成。MBD技術(shù)應(yīng)用所帶來的變革要想獲得成功需要在原有二維圖紙模式基礎(chǔ)上進(jìn)行多方面的革新，并進(jìn)行數(shù)字化、系統(tǒng)化集成。本文從材料信息的表達(dá)入手，開展面向全生命周期的材料表達(dá)與數(shù)據(jù)管理研究，探索面向適航取證的MBD集成應(yīng)用路徑。

材料信息在MBD模型中的定義

基于模型的定義MBD（Model Based Definition）是使用三維實(shí)體模型及其關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)來進(jìn)行產(chǎn)品定義的方法，這些數(shù)據(jù)的集合也被稱為數(shù)據(jù)集，它們包括總體尺寸、幾何尺寸和公差、組件材料、特征和幾何關(guān)系鏈接、輪廓外形、物料清單、工程說明和其他細(xì)節(jié)。在傳統(tǒng)的以二維為輔、三維模型為主的研制模式下，材料信息只在圖紙或BOM中給出簡單的材料名稱或牌號信息，材料信息量小，不能滿足設(shè)計(jì)、制造的全面需要，重量計(jì)算需要材料密度和模型的體積等信息，強(qiáng)度計(jì)算需要材料性能曲線，這些信息都需要相關(guān)人員查詢材料手冊或手動(dòng)計(jì)算重新輸入。MBD理念下的材料信息管理需要突破傳統(tǒng)的文件數(shù)據(jù)集管理粒度，穿透到文件數(shù)據(jù)集的內(nèi)部，挖掘MBD數(shù)據(jù)集的表現(xiàn)力，將材料信息粒度化、分散定義，通過三維設(shè)計(jì)軟件和PLM軟件的集成實(shí)現(xiàn)單一控制權(quán)限下統(tǒng)一格式的集中工程數(shù)據(jù)定義、管理和再利用。

1 金屬材料信息的定義

MBD數(shù)據(jù)集的材料信息可分為：（1）零件設(shè)計(jì)要求所使用的材料名稱、種類、牌號、熱處理狀態(tài)、規(guī)格；（2）總體重量專業(yè)計(jì)算重量所需要的密度數(shù)據(jù)；（3）零件制造單位所需要的材料毛料尺寸；（4）采購部門進(jìn)行材料采購所依據(jù)的材料規(guī)范；（5）設(shè)計(jì)部門規(guī)定的在材料性能滿足要求的情況下，制造部門可使用的替代材料；（6）強(qiáng)度計(jì)算部門所使用的材料性能數(shù)據(jù)，如屈服強(qiáng)度、泊松比、應(yīng)力應(yīng)變曲線等。對于以上材料信息，在MBD模型中可采用顯性或隱性的方式表達(dá)，材料的性能、密度數(shù)據(jù)以材料球的方式在模型中進(jìn)行隱性表達(dá)，這些信息可直接作為重量、強(qiáng)度專業(yè)的設(shè)計(jì)輸入數(shù)據(jù)。材料名稱、牌號、規(guī)范等信息在三維軟件CAITIA中可采用建立幾何圖形集并配以參數(shù)的形式顯性規(guī)范表達(dá)，如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)以結(jié)構(gòu)化BOM數(shù)據(jù)為核心基礎(chǔ)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，對材料信息進(jìn)行粒度化分解組合，將材料名稱和種類歸為“材料名稱”類，將材料牌號、熱處理狀態(tài)、規(guī)格歸為“材料牌號”類，材料規(guī)范、毛料尺寸是工藝及采購部門直接需要的數(shù)據(jù)可單獨(dú)作為一類。粒度的大小取決于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的需要和企業(yè)生產(chǎn)管理能力。粒度越大，生產(chǎn)制造、采購等需要對材料信息進(jìn)行人為或信息化處理，重構(gòu)BOM越難，管理越粗放，成本越高。粒度越小，后期重構(gòu)BOM越容易，更利于精細(xì)化管理。

2 非金屬材料信息的定義

在裝配件中，經(jīng)常需要表達(dá)密封、焊接、膠接定義，MBD模式下必須建立相應(yīng)的輔助耗材表達(dá)方式，讓制造單位以直觀的方式讀出設(shè)計(jì)意圖。密封區(qū)域用近似的幾何形狀表示，如包絡(luò)體或曲面。包絡(luò)體或面片以特殊顏色和透明度表示，每個(gè)密封定義項(xiàng)所定義的密封要求適用于所有與該密封定義項(xiàng)相關(guān)聯(lián)的密封對象，當(dāng)密封對象的要求發(fā)生變化時(shí)，則要生成新的密封定義項(xiàng)。在密封定義項(xiàng)下定義“密封材料”數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集的定義可以與定義金屬材料的方式相同，如圖2所示，以參數(shù)形式定義密封長度、厚度，通過自動(dòng)計(jì)算方式給出重量數(shù)據(jù)。

3 復(fù)合材料信息的定義

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪疊成型的“增材”制造模式?jīng)Q定了復(fù)合材料零件的材料定義方式與金屬零件的完全不同。主流復(fù)合材料專用設(shè)計(jì)軟件主要有Fibersim 軟件和CATIA的CPD模塊，為了實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的自動(dòng)化下料、自動(dòng)鋪層等數(shù)字化制造方式，在軟件中結(jié)合復(fù)合材料的設(shè)計(jì)方式，內(nèi)嵌材料屬性的表達(dá)方式（圖3）。但其材料信息還不足以全部表達(dá)復(fù)合材料成型所用的全部材料信息，必須對軟件自帶的材料庫進(jìn)行擴(kuò)展，并在結(jié)構(gòu)樹中參考金屬材料、非金屬材料的表達(dá)方式定義蜂窩拼接膠材料、面板與蜂窩膠接的膠層材料、蜂窩芯加強(qiáng)所用的泡膠材料、封邊材料等。鋪層設(shè)計(jì)完成后還應(yīng)根據(jù)鋪層的面密度，鋪層的厚度計(jì)算出零件重量組后根據(jù)重量和體積給出擬合的材質(zhì)球，系統(tǒng)根據(jù)材質(zhì)球，自動(dòng)進(jìn)行重量、重心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算。

圖1 材料信息在金屬零件中的表達(dá)Fig.1 Definition of material information in metal part

圖2 非金屬材料信息在裝配件中的表達(dá)Fig.2 Definition of material information in nonmetal part

材料庫功能架構(gòu)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的構(gòu)建

1 材料庫基本功能架構(gòu)

面對品種繁多、快速發(fā)展的航空航天材料，設(shè)計(jì)工程師要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力去查找材料規(guī)范確定材料，并在設(shè)計(jì)分析過程中應(yīng)用材料。在材料的開發(fā)、生產(chǎn)、流通和應(yīng)用過程中涉及到物和信息的大量流動(dòng)必須記錄與規(guī)范。通過建立材料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)用數(shù)字化手段對材料數(shù)據(jù)進(jìn)行高效、統(tǒng)一的管理。材料與管理系統(tǒng)功能模型如圖4所示，材料包括金屬材料、非金屬材料和企業(yè)符合標(biāo)準(zhǔn)的材料實(shí)例，也包括企業(yè)自用的復(fù)合材料。完善的材料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以提供工程材料數(shù)據(jù)的單一數(shù)據(jù)來源，保證被引用的材料數(shù)據(jù)齊全、準(zhǔn)確。同時(shí)，通過材料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以使各型號材料數(shù)據(jù)共享、復(fù)用和查看，使得設(shè)計(jì)人員可快速、方便地對其進(jìn)行檢索并導(dǎo)入到設(shè)計(jì)和仿真工具軟件中。工程材料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的建設(shè)思路是以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和數(shù)據(jù)庫為支撐，采用B/S架構(gòu)和CAD/CAE軟件接口相結(jié)合的方式對材料數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和應(yīng)用，相關(guān)人員可通過瀏覽器對材料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行訪問進(jìn)而對材料數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，CAD/CAE軟件接口方便了設(shè)計(jì)人員直接調(diào)用工程材料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中相關(guān)的材料數(shù)據(jù)。

圖3 復(fù)合材料信息的表達(dá)Fig.3 Definition of material information in composites part

圖4 材料庫功能模型Fig.4 Function model of material library

2 材料庫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的建立

以《工程材料實(shí)用手冊》為藍(lán)本，建立材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。針對材料的牌號和種類繁多、性能數(shù)據(jù)復(fù)雜多樣的特點(diǎn)，統(tǒng)一定義材料的分類，采用配置的方式定義材料的基本信息屬性和性能數(shù)據(jù)屬性，實(shí)現(xiàn)屬性定義的靈活性和擴(kuò)展性。材料分類可根據(jù)材料屬性對材料種類進(jìn)行集中統(tǒng)一定義；品種及代號、供應(yīng)制造狀態(tài)、供應(yīng)熱處理狀態(tài)、材料標(biāo)準(zhǔn)信息管理能夠?qū)ο鄳?yīng)的材料屬性進(jìn)行管理，以供材料標(biāo)準(zhǔn)庫和材料實(shí)例庫引用，單位庫中定義的單位能夠直接被數(shù)據(jù)項(xiàng)所引用；供應(yīng)商管理和應(yīng)用單位管理可以對材料的供應(yīng)商和應(yīng)用單位進(jìn)行統(tǒng)一集中的管理。材料庫為型號材料數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化管理以及型號研制過程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算分析、試驗(yàn)、技術(shù)狀態(tài)管理提供單一材料數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)以型號為中心的材料選用控制和管理；并與企業(yè)現(xiàn)有的CAD、CAE系統(tǒng)進(jìn)行綜合集成，在各種應(yīng)用中快速調(diào)用材料數(shù)據(jù)。

材料信息的集成應(yīng)用

1 材料信息在MBD模型中的應(yīng)用

材料應(yīng)用主要包括型號管理、材料查詢、材料對比以及CAD/CAE軟件接口。型號管理以型號研制的材料數(shù)據(jù)應(yīng)用為主線，在型號管理中按型號列出材料的使用情況，描述材料選用的經(jīng)驗(yàn)和方法，實(shí)現(xiàn)型號研制的材料數(shù)據(jù)的應(yīng)用管理，積累和重用型號材料應(yīng)用知識；材料查詢功能提供多種形式的數(shù)據(jù)查詢和檢索功能，工程師基于Web端使用瀏覽器翻閱材料規(guī)范，查看材料的性能、價(jià)格及使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)；材料對比功能以直觀的方式顯示材料性能數(shù)據(jù)的差異；在CATIA/VPM軟件中內(nèi)嵌MBD建模規(guī)范，工程師在CAD中直接選用材料，系統(tǒng)自動(dòng)按照MBD建模規(guī)范進(jìn)行材料屬性信息的添加和組織，通過材料庫和CATIA/VPM接口實(shí)現(xiàn)材料庫中材料信息直接調(diào)用到MBD模型中。

2 材料信息在CAE軟件的應(yīng)用

在飛機(jī)設(shè)計(jì)過程會(huì)大量使用CAE（NASTRAN、PATRAN、ANSYS等）工具，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和型號產(chǎn)品仿真時(shí)，會(huì)用到工程材料物理或化學(xué)方面的性參數(shù)，為了確保工程材料的正確性、標(biāo)準(zhǔn)性和及時(shí)性，設(shè)計(jì)仿真人員必須首先和標(biāo)準(zhǔn)化人員進(jìn)行溝通，由標(biāo)準(zhǔn)化人員給出材料參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)和具體的參數(shù)值或范圍，由設(shè)計(jì)仿真人員手工錄入到設(shè)計(jì)仿真模型中，在這個(gè)過程中，由于快速迭代的需要，可能要多次迭代過程，這意味著每一次迭代都要手工輸入工程材料數(shù)據(jù)，這種做法產(chǎn)生了幾個(gè)嚴(yán)重的問題：（ 1）工程材料的標(biāo)準(zhǔn)由標(biāo)準(zhǔn)化人員來確認(rèn)、給出，由設(shè)計(jì)仿真人員手工輸入，可能存在工程材料不及時(shí)、不正確、不準(zhǔn)確的現(xiàn)象；（2）事后無法與具體的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)對接，仍需要手工對接，費(fèi)時(shí)、耗力；（3）手工輸入太麻煩，工作量較大。因此，可以定義規(guī)范的數(shù)據(jù)格式，建立CAD與CAE能夠識別的材料數(shù)據(jù)的接口，通過材料庫輸出CAE工具軟件所需的材料數(shù)據(jù)，在從CAE軟件接口將工程材料標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)引入CAE工具軟件中，既實(shí)現(xiàn)了工程材料的統(tǒng)一性、標(biāo)準(zhǔn)性，又能共享、復(fù)用標(biāo)準(zhǔn)材料，降低CAD/CAE中工程材料的錯(cuò)誤。設(shè)計(jì)仿真模型里的工程材料與材料標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)來自于同一個(gè)數(shù)據(jù)源，二者建立關(guān)聯(lián)，既可以實(shí)現(xiàn)更新，又可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和追溯。如圖5所示，建立材料庫與PATRAN的材料數(shù)據(jù)定義原理與數(shù)據(jù)導(dǎo)出導(dǎo)入原理，在材料庫管理及應(yīng)用系統(tǒng)中開發(fā)PATRAN材料數(shù)據(jù)導(dǎo)出接口，通過該數(shù)據(jù)接口進(jìn)行材料數(shù)據(jù)的更新和下載，CAE工程師將從材料數(shù)據(jù)庫生成的文件導(dǎo)入到CAE軟件開展計(jì)算工作，從根本上保證材料數(shù)據(jù)的一致性。

3 材料信息在制造部門的應(yīng)用

材料信息的粒度化為制造部門使用材料信息帶來了便利，設(shè)計(jì)不需要向制造單部門發(fā)放EBOM。通過在VPM中建立屬性映射機(jī)制，將MBD模型結(jié)構(gòu)樹中粒度化的材料信息與VPM中模型屬性信息建立一一對應(yīng)關(guān)系，在模型存儲時(shí)直接存儲在數(shù)據(jù)庫中。在與供應(yīng)商間的數(shù)據(jù)傳遞時(shí)，以規(guī)范的.XML文件格式建立數(shù)據(jù)包，這種格式化的數(shù)據(jù)可以再次被導(dǎo)入到供應(yīng)商的系統(tǒng)中，供制造部門使用。制造部門可根據(jù)MBD模型中的信息或VPM系統(tǒng)中的屬性信息，按MBOM格式直接通過使能工具實(shí)時(shí)提取屬性信息自動(dòng)化生成MBOM。同樣通過對工藝MBD模型和制造MBD 模型的粒度化改造，并在產(chǎn)品生命周期管理軟件（Product Lifecycle Management, PLM）中實(shí)現(xiàn)基于MBD 模型的設(shè)計(jì)、工藝與制造協(xié)同、集成、信息對比和差異分析，將關(guān)聯(lián)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化提取來滿足生產(chǎn)管理和適航取證需要，既提高了效率，又保證了數(shù)據(jù)的正確性。

圖5 材料庫與CAE軟件的材料數(shù)據(jù)定義與導(dǎo)出原理Fig.5 Importing and exporting model of material information between material library and CAE software

結(jié)束語

本文從材料信息在MBD模型中的表達(dá)方式入手，對金屬材料、非金屬材料、復(fù)合材料零件對材料信息需求進(jìn)行分析，結(jié)合CATIA模型的不同建模方法給出了材料信息的定義方式，并從管理及工程應(yīng)用兩個(gè)維度開展基于全生命周期的材料庫管理及應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)，力圖通過數(shù)字化方式加強(qiáng)設(shè)計(jì)階段的選材控制，并將模型中的材料信息粒度化，根據(jù)不同的使用需求，通過數(shù)據(jù)重構(gòu)提取設(shè)計(jì)和制造所需的材料信息，從而達(dá)到對材料信息在全生命周期的集成應(yīng)用，充分挖掘MBD技術(shù)的內(nèi)涵與潛力來促進(jìn)飛機(jī)數(shù)字化研制水平的提高。

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