直升机数字样机区域化上下文设计方法研究

陈阳平 高 亮 王 琛 谢 强 丁秋林

1.南京航空航天大学,南京,210016 2.中国直升机设计研究所,景德镇,333001 3.华中科技大学,武汉,430047 4.中国商用飞机有限责任公司,上海,200235

0 引言

直升机系统关联性强,设计过程中一个子系统的更改对与之关联的其他系统有影响,其他系统也必须更改,往往导致较大的连锁反应[1]。直升机系统的子系统布置密集,不同设计子空间若不能协调一致,就会导致设计冲突,严重时需要重新设计[2]。传统的设计方法中,数字样机模型之间缺乏关联,设计人员对哪里有关键链接和参数,谁在使用这些关键链接和参数并不清楚,一旦关键链接或参数被修改,相关更改不及时,会导致设计的不一致,从而延长设计周期[3]。

为克服上述直升机设计的不足,本文提出直升机数字样机区域化上下文设计方法。该方法使设计人员在设计时始终关注区域内的上下文关联模型,通过在直升机数字样机模型之间建立链接关系,使设计人员能及时发现多专业并行设计时相互之间的影响,从而快速协调设计冲突,完成多系统间复杂的协同更改。通过建立数字样机的区域层次树,对数字样机模型进行区域化计算和更新,数字样机检查人员能够快速搜索区域内的数字模型,开展数字样机审查工作;设计人员能够快速搜索到所关注的上下文关联模型,开展协同设计工作,提高设计效率和质量。

1 区域化上下文设计系统总体框架

直升机区域化上下文设计方法有别于传统的设计方法,采用该方法进行设计时,设计一开始工程师就开展实时上下文设计,并建立模型链接,集中进行数字样机检查,发现问题后进行上下文的更改和模型链接的更新,随后进行新一轮的数字样机检查,其设计流程如图1所示。

图1 直升机数字样机区域化上下文设计流程

图2 区域化上下文设计的系统框架

为实现上述设计流程,本文提出了区域化上下文设计系统的总体框架,如图2所示。图2中,最上层为用户层,提供图形化用户界面。中间层是功能层,包括区域化管理功能模块和关联管理模块。其中区域化管理功能模块提供区域生成与搜索服务,实现直升机数字样机的区域定义、区域搜索、区域查询和区域加载。关联管理模块提供模型链接生成和过滤服务,实现链接信息加载、链接状态更新、链接影响性分析和链接状态查询。最下层为支撑层,提供数据管理、电子仓库、数据库、网络和存储等服务。

实现区域化上下文设计方法,需要研究的关键技术包括数字样机区域化表达、数字样机区域的生成与搜索、数字样机模型链接的表达和数字样机模型链接的求解。

2 区域化上下文设计的关键技术

2.1 数字样机区域化表达

数字样机区域化表达技术是采用零件几何空间包络体节点及产品区域层次树来表达数字样机区域的技术。零件数字模型区域是数字样机区域的基本单元,数字样机区域为其内部全部零件数字模型区域的并集。数字模型区域为完全包含其实体模型和几何图形集的规则区域,有多种类型,包括AABB(axis aligned bounding box)区域[4]、球形区域[5]、任意向长方体区域[6]和多面体区域[7]。由于直升机机体结构平台、框和梁都采用与机体坐标平面XZ、YZ和XY平行的布局方式,综合对比这四种区域表达方式,本文采用AABB区域来表达数字样机区域。

AABB区域的长、宽、高与直升机机体坐标系X、Y、Z 3个坐标轴平行,左下角和右上角两点坐标决定了一个区域,其点序列的表达为：〈A,B〉=〈(x,y,z),(x′,y′,z′)〉,其中 x ＜ x′,y ＜y′,z＜z′。数字样机区域层次树用于表达从零件、组件、装配件、系统到产品整体的各层次区域信息,它是一个二元组(D,R),其中,D是n个区域层次节点的有限非空集合(n＞0),R是D中元素二元关系的集合,R满足以下特性：①有且仅有一个节点d 0∈D,不存在任何节点d∈D,使〈d,d0〉∈R,称d0为区域层次树的根;②除根节点d0以外的所有节点,至少有一个节点d′∈D,d≠d′,使得〈d′,d 〉 ∈ R 。

数字样机区域层次树与产品结构树紧密相关,产品结构树是产品设计各部门进行信息共享和产品可视化的主要载体,是协同工作的重要基础[8],产品结构树中的一个上下级装配关系与数字样机区域层次树中其下级零部件的区域节点一一对应,图3a为直升机产品结构树,图3b为对应的区域层次树,图3a中的Ass1和SubAss1的上下级链接为SAR1.1,在图3b区域层次树中对应一个具体的区域节点SAR1.1,用于表达SubAss1的区域。

图3 直升机结构树与数字样机区域层次树

2.2 数字样机区域的生成与搜索

数字样机区域生成是针对直升机产品结构树上的零件模型形状的变化、零部件节点空间位置的变化、产品结构树分支的删除和插入,如图4a～图4d所示,计算出这些变化对数字样机区域层次树中相关区域节点信息的影响,从受影响的节点开始,沿该节点到产品结构树根节点的路径,自下而上更新区域节点信息。图4a和图4b中更新的节点路径为 f′→d→c→b→a,图4c和图4d中更新的节点路径为c→b→a。

图4 数字样机区域层次树的变化与更新路径

在数字样机区域生成算法中,采用队列来管理区域层次树的四类变化,对层次树进行更新,根据产品结构树中对应的位置矩阵,自下而上逐级更新和维护区域层次树的全部区域节点[9]。数字样机空间搜索算法根据数字样机区域层次树,深度遍历对应的产品结构树,从数以万计的直升机产品结构树中搜索出目标区域内的产品结构子树,加载子树中关联的全部数字模型。

2.3 数字样机模型链接的表达

数字样机模型链接表达技术是用于表达数字样机模型内部几何实体集、几何图形集和参数集之间的链接关系的技术。通过模型链接表达产品中的设计约束,在多模型中的几何元素和参数之间建立元素引用或/和参数关联,使设计意图贯彻于设计方案中。为全面分析直升机数字样机上下文模型之间的关联影响性,本文采用链接关系图表达数字样机模型的链接关系。

模型链接关系RML(relationship of model link)表达为：RML={O,R},O=(ei,ej)∪(px,py),ei,ej∈E(其中E=EL∪ER,EL为模型中的几何元素,ER为外部引用元素集);p x,p y∈P(其中P=PA∪EP,PA为模型中的参数集合,EP为外部引用的参数集合);EL,ER,PA,EP ⊂M,M={m1,m2,…,mn}为数字样机模型集合,R={rk|rk→(ei,ej)或(px,py)},若rk→(ei,ej)或(p x,p y),且rk≠Ø,则元素ei和元素ej之间或参数p x和p y之间存在链接关系r k,即它们所在的数字模型之间存在模型链接关系。模型链接关系图 RGML(relationship graphic of model link)表达为 ：RGML=(V,R,T,C),其中顶点集V={e1,e2,…,em}∪{p1,p 2,…,p n}为模型中的几何元素集合和参数集合的并集;边集R表示模型几何元素或参数之间的关联关系,R={e=(ei,ej)|e1,e2,…,em}∪{(p x,p y)|p 1,p 2,…,pn},ei,ej∈ E,p x,p y∈ P;T={t→(ei,ej)∪(p i,p j)|t1,t2,t3,t4}表示链接关系的类别,t1,t2,t3,t4分别代表约束链接、概念链接、上下文链接和参数链接4种链接;C={c→(ei,ej)∪(pi,p j)|c1,c2}表示链接关系的特性,c1,c2分别代表“0”和“1”,“0”表示“对等” ,1 表示“被引用”。图5所示为一个典型的数字样机模型链接关系图,①为M1与M 3中两个实体间的约束链接;②为M1和M 2中两个几何图形之间的概念链接;③为M1和M4中两个几何元素之间通过外部引用ER建立的上下文链接;④为M2和M4中两个参数之间通过外部参数EP建立的参数链接。

图5 数字样机模型链接关系图

在直升机设计中,数字样机模型链接的选用原则为：约束链接是零部件之间进行装配或零件内部元素进行约束而建立的链接;概念链接是非装配环境下模型间的内外部链接,用于建立设计与设计或设计与制造的上下游关联;上下文链接是在数字样机上下文环境中,模型之间引用外部模型元素作为参考而建立起来的链接,用于在数字样机有依存关系的模型之间建立关联;参数链接是为参数化驱动或参数共享时所建立的链接,用于将子系统设计为一个参数化的装配体。

2.4 数字样机模型链接的求解

直升机各系统相互挤占有限的机体空间,本文通过数字样机模型链接的求解对零部件数字样机之间的相互影响进行分析,快速响应设计的动态变化,实现数字样机设计的求解,以提高优化和更改效率。为此,设置链接状态属性和求解边界,将链接状态分为同步、不同步、半同步和缺失四种状态,用于跟踪和控制链接关系。求解边界包括模型数量、模型属性、模型所属系统和模型成熟度等,用于搜索链接关系链中符合特定边界条件的模型。模型链接关系求解算法从某一模型开始,建立求解模型队列,根据边界条件和链接状态,遍历数字样机模型链接关系图,从中搜索出与输入模型连通的链接关系子图,找到输入模型变化后所影响的全部数字样机模型,以便有针对性地更改设计。

3 应用分析

中国直升机设计研究所在某型直升机的设计过程中,采用了直升机数字样机区域化上下文设计方法,设计员运用嵌入在 PDM(product data management)中的区域化上下文设计系统开展设计。以某型直升机的某框设计为例,其所在区域为〈(4793.9mm,-1123.6mm,801.2mm),(5095.7mm,1123.7mm,2768.8mm)〉,如图 6a所示,从系统中搜索该区域的上下文关联模型,得到操纵、环境控制、机体结构、液压和航空电子等系统的数字模型471个,其中成品数字模型29个。全部数字样机模型如图6b所示,这些模型当中与该框相关的链接包括装配约束链接、系统在框上的定位孔上下文链接、框参考全机骨架模型的概念链接以及框与其他结构件之间的参数链接共183个。

图6 某型机某框所在区域的上下文关联模型

中国直升机设计研究所运用直升机数字样机区域化上下文设计方法,建立了直升机数字样机区域化上下文设计流程,与传统的数字化设计方法相比,在某型直升机研制中缩短了数字样机上下文设计和干涉检查的时间,系统优化和零组件协同更改的周期明显缩短,应用效果如表1所示,其中区域级是指含5000～8000个区域节点的级别,零组件平均含5～10个零件。

表1 应用效果对比

4 结束语

通过数字样机区域化上下文设计方法,设计人员不仅能够准确、快速地加载所关注区域内的上下文模型,而且能够利用模型链接关系的求解进行实时的关联影响性分析和快速更改,提高了直升机设计效率,缩短了设计周期。

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