基于VPM的教练机三维协同设计技术应用研究

赵海超，王 强，刘 敏

(洪都航空工业集团，南昌330024）

基于VPM的教练机三维协同设计技术应用研究

赵海超，王 强，刘 敏

(洪都航空工业集团，南昌330024）

随着CAD技术的发展，教练机的设计方式和设计手段发生了巨大变化。本文探讨了基于ENOVIA VPM平台应用CATIA软件三维协同设计技术，分析了教练机三维协同设计相关技术，着重介绍了三维协同设计技术在教练机设计中的应用。

教练机；协同设计；VPM

0 引言

教练机设计包括机动性、操纵性、稳定性、寿命、可靠性、成本以及可制造性等多种因素，其设计和制造周期长，参与设计的专业众多，工程设计和管理复杂。尽管传统的2D/3D CAD软件已经得到广泛应用，但由于专业之间设计周期的不同，设计人员之间没有统一的设计平台，导致经常出现错、漏、碰等问题；当一个环节出现变更时，反馈周期长，影响工程的设计进程和产品质量。而基于ENVOIA VPM系统平台能够为各专业设计人员提供一个基于网络化信息共享的平台上进行三维协同设计，可有效解决传统2D/3D CAD软件功能的缺陷。

1 教练机三维协同设计相关技术

协同设计是指企业内部不同部门、不同专业甚至同一项目的不同设计单位之间进行协调和配合工作。教练机设计参与专业众多，有总体、结构、强度、航电、机电、飞控和动力系统等专业。协同设计是一个系统工程，除了设计功能外，还具有管理功能，要实现教练机设计专业内和专业间高效的三维协同设计，需要从三维设计功能和信息共享管理上关注以下问题的解决。

1.1 骨架模型设计

在教练机完成概念设计后，得到了教练机的结构布局和初步的零部件布置方案，在CAD软件中以点、线、面及各类基准等几何元素加以表示，这些几何元素构成了教练机的骨架模型。它是一个具有多级抽象层次的装配级设计模型，综合了概念设计和零部件详细设计。骨架模型规划了整个教练机的总体结构，零部件的基本空间定位，以及各零件之间的装配关系。在建立骨架模型的同时，完成产品向具体装配结构模型的转换。骨架模型必须是可控的，用于支撑整个模型，是模型设计的脊梁柱。教练机结构件、设备、管路等均要直接或者间接的依赖于骨架模型。骨架模型的更改后，与之关联的零（部）件能够自动更改。

通过骨架模型反映出产品的功能要求和设计意图。此时的骨架模型是一个全局化的模型，既是总体设计的结果，又是零件设计的起点，详细设计阶段的工作是通过这些基准特征信息完成各个零件的实体建模，完成由装配概念模型到产品实体模型的映射。

骨架模型的核心是要理顺模型之间的从属关系，骨架模型不但要能够有效驱动零（部）件模型，同时应尽量简洁。在平面设计里，只有结构本身的协调工作，而在三维设计里，三维模型非常庞大，而且各专业并行协调工作。这是平面设计和三维设计的一个重要区别。如果采用分散式的自下而上的建模方法，各专业之间的协调信息需通过数据交换而不能直观的获得相关数据和信息，导致设计效率较低。

在如此庞大的三维模型中，采用自上而下建模方法的骨架模型是非常有效的组织形式，它可以避免分散的自下而上的建模方式的主要缺点，同时又不失灵活性，通过划分骨架模型设计权限，实现并行协同工作。

1.2 统一的基准、参考和三维模型

当前，设计变更无法及时共享，导致与之相关的设计得不到最新的参数信息而产生错误。对于数字化协调设计而言，数据从建立开始一直到整个教练机设计周期均被共享，设计者之间可以相互参阅，即时发现设计中的问题，这样对提高产品设计质量、缩短设计周期有很大的好处。

教练机三维协同设计需要统一的数据源，通过统一管理模型信息，保证各专业在最新版本的三维模型上工作，任何专业的修改对其他专业的影响能及时体现，同时方便定义角色、分配权限，防止越权修改和误操作等。

1.3 总体、结构和航电等专业三维设计和数据关联

虽然教练机的设计采用了基于三维的专业CAD软件，但是专业之间是以二维图纸及说明文档形式传递设计信息。因此，下游专业应用该信息时必须对上游专业信息重新理解和构造，这样无法保证设计依据的即时性和有效性，设计变更时修改工作量大。而三维模型容易理解，无歧义，各专业三维模型可以关联，设计变更快。

在三维设计方面，当前业内采用UG、CATIA进行三维建模，但不同专业之间没有统一，虽然可以完成教练机的三维设计，但不能保证设计关联性，例如，由于总体理论外形更改，下游结构设计的零件模型是不能自动及时更新的。因此，必须采用统一的设计平台，并且保证设计数据的关联性。

1.4 设计结构、参数、关联信息的管理

在传统的2D/3D设计中，零件的表达与其相关的设计参数无法完全放在一起，当然也没有直接的联系，这些技术资料的保存和更新工作都很繁琐。

数字化协同设计的三维模型含有大量参数和关联信息，将数据库技术和三维设计技术结合，能够深入到三维模型内部，便捷地提取这些信息进行查询、统计和管理等。

2 某型高教机三维协同设计应用实例

2.1 ENOVIA VPM平台

VPM以设计产生的数据为核心，实现对产品相关的数据、过程进行集成管理的技术。VPM的核心在于能够使所有参与项目开发的相关人员在整个产品周期中自由浏览或共享产品相关的同构或者异构数据。ENOVIA VPM系统是为实施基于CATIA的在线设计而搭建的协同设计平台，对存放在服务器中结构化的数据进行设计任务的分解与分配、设计数据的动态协同和归档、设计模板的管理与共享。三维数字化设计具有可视的特点，可以大大提高平面设计的效率，改善设计质量；三维数字化设计具有关联性、参数化的特点，可以大大减少重复劳动，逐步进行数据挖掘和知识积累，作为开展知识工程，创建学习型组织的信息平台；三维设计具有实时协同、在线设计的特点，可以提高协同工作的效率，保证数据一致性和实时性，缩短设计周期，便于归档和即时的解决问题。ENOVIA VPM平台如图1所示。

2.2 骨架模型设计

骨架模型从功能上可以分为理论站位骨架和理论外形骨架。从层次上分为总体骨架、专业骨架，以及构件/零件骨架。骨架模型采取多级别的组织形式，总体控制骨架由总师确定统一发布，总体骨架模型发布到各专业组后，各专业组通过关联引用总体骨架，建立自己本专业组的控制骨架，在专业骨架模型的基础上，进一步细化构件/零件的骨架。

例如某型教练机总体设计人员根据战术技术要求，建立的理论外形骨架模型，并根据飞机布局需要建立总体站位骨架模型，通过VPM平台传递给相关专业设计人员。图2表示了机翼骨架模型与总体骨架模型之间的关系；图3表示的是整个机翼的骨架模型及其之间的关系；图4表示的是机翼上各系统与机翼骨架模型的关系。

图2 机翼骨架模型与总体骨架模型的关系

图3 机翼骨架模型之间的关系

图4 各系统与机翼骨架模型的关系

2.3 应用CATIA软件进行教练机三维设计

常用的三维设计软件有 UG、Pro/E、CATIA、CAXA等，以达索的CATIA最具代表性，也是波音、空客和我国航空工业使用的主流三维设计软件。

在使用CATIA建模时，为了做到协同关联设计，首先要对CATIA做一些必要的设置（见图5），并且相关联的零件需在一个父系装配下进行关联设计（见图6）。其次需做一些必要的要求：一是禁止启用混合模式，因为启用混合模式相当于设计过程打上了时间标签，导致零件难于更新。二是禁止引用未发布的元素，引用未发布的元素，链接容易断开，难于做到自动更新。三是零件之间尽量不做相互引用，零件间的完整草图禁止引用，零件之间相互引用，容易引起死循环，关系会混乱，难于更新，引用完整草图也是同样的道理。

由于加工方法的不同，建模方法也不同。机加、钣金、复合材料、管路系统、电气系统的设计必须使用不同的工具。在建模方面，CATIA提供了机械零件设计模块、航空钣金模块、复合材料设计模块、管路设计模块以及电气系统设计模块。图7为CATIA V5R18的零件设计模块的应用界面，窗口中显示的是一个已经完成三维标注的零件。其内容包括了3个部分：零件的几何模型、零件的尺寸和公差标注和零件的结构树。除了尺寸和公差外，还包括零件的注释说明、零件加工工艺过程所必须提供的产品描述性定义信息、装配连接定义等。

图5 CATIA关联设计选项设置

图6 同父系下的关联设计

图7 基于CATIA的零件设计

2.4 应用ENOVIA VPM管理数字化教练机零部件模型和参考

ENOVIA VPM将教练机三维数字模型存储到数据库和电子仓库服务器上，定义统一的命名规则、分类和属性，同时为设计人员赋予不同的访问权限和规则等，来实现数据共享和协同设计。图8是ENOVIA VPM中零件关联设计示意；图9表示的是查找某个零件影响来源结果，即零件间的关联关系。

ENOVIA VPM集成CATIA后，独立自设计变成了集中在线设计，能够发挥以下优势：

1）确保设计数据的最新性和有效性，某个数据的更改，其他设计人员能够立刻得知，保证即时协同，减少设计数据更新的延误性和不准确性。

2）唯一的工程设计结构树。所有的设计人员都共用同一个教练机设计结构树，保证数据相互参考和引用。

3）加强数据安全管理，规范数据存取机制。

图8 ENOVIA VPM零件关联设计

总之，ENOVIA VPM使每个设计人员在教练机的整个设计过程中都能使用统一数据库和最新版本的模型，保证设计数据的一致性。

3 结 语

基于ENOVIA VPM平台，应用CATIA软件进行教练机三维协同设计与传统2D/3D设计相比具有很大优势：

1）设计更直观形象，各专业间的数据交流更容易和方便。

2）避免2D平面设计、3D独立设计出现的盲区，最大限度的减少更改过程中出现漏改，错改。

3）上游数据的变更使下游零部件/构件同步更新，大大节省工作量。

4）通过骨架模型的控制，可以做到全机协同设计工作：如强度通过调节骨架模型来控制机翼结构主要传力系统和主应力水平，系统通过骨架模型进行安装协调，同时结构通过骨架模型进行零部件设计，从而大大提高工作效率。

[1]刘俊堂，刘看旺.关联设计技术在飞机研制中的应用.航空制造技术，2008.14.

[2]曾刚.协同设计制造与 CATIA.CAD/CAM与制造业信息化，2008.1.

[3]刘红珍，苗卫东，张华.三维协同设计方法及其应用.车辆与动力技术，2008.1.

>>>作者简介

赵海超，男，1982年11月出生，2008年毕业于西北工业大学，现从事结构设计工作。

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《教练机》编辑部

Application Study on 3D Correlative Design Technique for Trainer Based on VPM

Zhao Haichao,Wang Qiang,Liu Min
(Hongdu Aviation Industry Group,Nanchang 330024)

The design methods and means of trainer have been changed a lot with the development of CAD technique.This paper discusses the 3D cooperative design technique for trainer with application of CATIA software based on ENOVIA VPN.It also analyzes the correlative technique of 3D cooperative design for trainer and with the emphasis application of 3D cooperative technique in trainer design.

Cooperative Design;VPM;Trainer

2011-07-09）