MBD技术在航空发动机设计中的应用

李 健，邱明星，苏媛媛，田 静，吕春光

MBD技术在航空发动机设计中的应用

李 健，邱明星，苏媛媛，田 静，吕春光

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

为解决MBD技术在航空发动机设计应用中的标准规范不统一和标注信息管理等问题，结合行业特点，制订了独特的通用+典型零部件MBD行业标准，同时，考虑到知识信息表达和多领域应用，提出了基于视图的标注信息（Def inition Based Model Views－DBMV）管理方法，使得3维MBD模型成为惟一有效的知识信息数据源贯穿应用于产品的全生命周期，成功将MBD技术工程化应用于航空发动机结构设计中。

模型定义技术；结构设计；知识表达；视图；信息管理；航空发动机

0 引言

目前航空发动机行业的产品知识信息，还是依靠传统的2D图方式表达和传递。随着数字化技术手段的日新月异，产品已经进入全3D设计环境，同时工厂采用先进的制造方法，大量高效自动化的加工设备，使得产品2D信息表示与上游全3D数字化设计和下游先进的制造装配已不相适应。基于模型的定义（Model Based Definition-MBD）技术正是在该环境下发展和应用起来，围绕3D模型为核心进行产品设计、制造等知识信息的表达，使得数字化技术高效地贯穿于产品的全生命周期。国内外对MBD技术进行了大量相关研究，如文献[1]研究了虚拟装配环境中3D标注的应用技术和实现方法；文献[2]结合飞机行业MBD技术的应用介绍了MBD技术的内涵及应用体系；文献[3]介绍了MBD技术在设计制造协同过程中的应用及其优势；文献[4]通过借鉴数字标工协调方法，探讨了MBD装配模型的建模过程。

本文重点分析了MBD技术在航空发动机设计中的应用。

1 MBD技术概述

MBD技术最早由波音（Boeing）公司提出，并在B737客机到最新的B787客机项目中逐步实施并发展成熟。波音公司在B737客机的研制过程中提出了MBD思想，以3D模型为核心，辅助2D图纸进行产品知识信息的表达，而在B787客机的研制中，将MBD技术完全贯穿应用于产品生命周期的各阶段。随着MBD技术应用的日益广泛，美国机械工程师协会（ASME）和国际标准化组织（ISO）制订了由相关技术公司，以及UG、CATIA等CAD软件公司参与的ASME Y14.41-2003 3D Digital Product Definition和ISO 16792-2006 Digital Product Definition Data Practices标准，用于指导MBD技术的应用。

MBD技术是在传统2D信息表达方式的基础上发展而来的，其发展过程如图1所示。共分为4个过程，即2D工程图→2D工程图（主）＋3D模型（辅）→3D模型（主）＋2D工程图（辅）＋3D MDB模型。MDB的核心思想是：基于3D数字化模型进行产品数字化信息的完整描述，即将设计和制造等知识信息共同定义表示在3D模型中，取消传统的2D工程图。MBD不是简单的3D模型加3D标注，其需要将产品的各种知识合理地表示融入到3D模型，使3DMBD模型成为惟一数据源贯穿于产品全生命周期的各阶段。

图1 产品知识信息的发展过程

2 MBD技术应用基本要求

2.1 MBD行业标准

MBD技术的应用涉及到产品生命周期内的不同角色单位，从设计源头需要结合后续应用进行技术实施，同时也要合理地表示出制造单位的加工、装配等信息，这就要求在MBD的应用过程中相关单位间需进行密切协同，设计单位在产品的MBD设计过程中需将工厂的工艺方案融入其中，设计人员参与工艺，工艺人员参与设计，厂所协同应用MBD技术。

由于MBD的应用涉及到不同厂所单位，需要制订统一规范的标准用于指导MBD技术的应用，同时发动机产品具有其独特性，多是回转体结构，零部件结构形式比较独特规范，现有的通用标准存在一定的局限性。因此，参考国际相关标准，结合GB/T 24734，针对发动机行业的特点，制订了独特的通用+典型零部件MBD行业标准，如图2所示。

图2 航空发动机行业（通用+典型零部件）MBD标准

此系列标准首先制订了MBD通用标准，再针对发动机典型零部件的特点，分门别类的规划制订零部件MBD标准，如叶片、盘、机匣等零部件标准。通过此种行业统一、独特规范的标准形式，有效解决了MBD技术应用过程中的共性和个性问题。

2.2 MBD技术3D模型内容

MBD技术的重要特点之一是其模型包含的信息面广、知识信息量大，3D MBD模型不仅需要表示传统2D模型所要表示的知识信息，还需针对其PLM特点通过PMI手段将设计、工艺等知识信息一体化融合。

3DMBD模型其数据集是以3D模型为核心，从知识信息和属性信息2个方面进行知识表示，如图3所示。

图3 3DMBD模型数据集内容

图中3D模型是指包含知识信息的3D设计模型，由实体几何特征和辅助几何特征构成；知识信息是通过MBD技术以PMI手段进行尺寸、公差、技术要求等知识信息的表示；属性信息表达产品特征所需的不可见尺寸和注释等信息。这些信息通过MBD技术以3D模型、模型属性、PMI标注方法共同融入惟一的3D MBD模型中。

3 MBD技术在设计过程中的应用

3.1 基于视图的标注信息管理

3D数字化模型通常使用图层（Layer）、引用集（Component）以及组（Group）等方法进行产品信息管理，如模型特征可以使用图层进行分类，而同类模型则可以使用引用集或组进行管理，模型信息的管理归根到底是为了信息表达明确和使用查看方便。

3D MBD模型其3D标注信息作为产品知识的1种表达，已不仅仅是1种特征信息，其涵盖到设计和制造等多个领域。在3D标注信息的管理方面，需重点从知识信息表达和多领域使用2方面着手，因为3D MBD模型作为产品全生命周期内惟一的知识信息载体，取代了原有的2D图纸，需要传递2D图纸的设计信息，同时又要便于设计与工艺人员的查看使用。本文提出了1种于基于视图的标注信息（Definition Based Model Views－DBMV）的管理方法。

基于视图的标注信息（DBMV）管理通过视图工具将3D标注信息与3D实体模型相结合，在3D环境中直接表达产品知识信息，同时为了便于查看使用和理解设计意图，充分结合了原有2D图纸的视图使用习惯，使得产品知识信息和3D模型融为一体，DBMV的管理模型如图4所示。

图4 基于视图的标注信息（DBMV）管理方法

式中：vi为DBMV视图；Vi（）为某种视图的表示方式；I为知识信息；K为3D MBD模型知识信息。

3D标注信息的DBMV管理方法创建的是产品知识信息的视图集 DBMVs（DBMVs－DBMV set），该视图集DBMVs由包含不同知识信息的子视图vi组成，而每个子视图vi是某类或者某种知识信息的1种视图表示Vi（）。

3D MBD模型根据信息内容的多少，考虑到理解使用等因素，在3D环境中依据统一空间基准被投影为多个视图，在不同的3D视图中进行3D信息的标注和管理，而对于产品内部信息可以直接剖切3D模型，在3D剖视图中进行知识信息表达，使用UG NX软件应用DBMV方法的实例如图5所示。

图5 DBMV应用实例

DBMV方法将MBD技术融入设计过程中，建立了标注信息的1种管理方法。设计人员通过DBMV以视图集这一全新的方法构思3D模型，表达设计意图，同时工艺人员通过理解查看DBMV视图，理解模型知识信息。

3.2 标注信息与特征的互联性

基于MBD技术的全3D数字化设计，将知识信息与3D模型融为一体，使得标注信息可以直观反映在3D环境中，与此同时MBD技术提供了1种互联机制，即将3D模型特征信息与标注信息相互关联，在设计和查看模型特征的同时可以明确其3D标注所表达的知识信息，而在查看标注信息时其关联的3D特征可以直观反映在3D模型中，如图6所示。

图6 3D MBD模型标注信息与特征信息的互联性

MBD技术以3D MBD模型为桥梁建立了标注信息和知识特征信息的关联机制，在查看3D标注信息基准A（Datum Feature Symbol A）时，其关联的3D模型平面特征即会高亮显示，同时在查看此平面特征时，其关联的标注信息也会突出显示。

3.3 标注信息的简化

MBD技术提供了1种全新的产品知识表达传递方式，3D模型为惟一准确的数据源，对加工制造来说，使用MBD 3D模型可以直接读取模型尺寸，自动生成刀位轨迹建立数控加工程序，基于此种知识信息传递方式，在设计过程中，对于按照航标要求的一般公差尺寸信息可以进行简化，即不进行标注，依据统一的航标公差要求和3D模型进行约束，而对于精确控制的尺寸则需要进行详细的3D标注，以明确相关信息。

这种标注信息简化方式可以有效地提高标注效率，明确关键重要尺寸，同时给后续的加工制造带来方便。

4 结束语

本文在深入理解MBD技术内涵的基础上，结合航空发动机行业的独特应用特点，着重从设计角度研究了MBD的具体应用技术，制订了独特的通用+典型零部件MBD行业标准，使得MBD技术在统一规范的要求下进行实施应用。提出了基于视图的标注信息（DBMV）管理方法，并结合UG NX软件将DBMV方法应用于实践，此方法将MBD技术与3D模型紧密结合，有效地解决了知识信息的管理、查看使用和传递等问题。目前MBD技术已全面推广应用于某型发动机结构设计中。

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Research on Application of MBD Technology in Aeroengine Design

LIJian，QIU Ming-xing,SU Yuan-yuan,TIAN Jing,LYU Chun-guang
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shengyang 110015,China）

There were some problems of MBD technology application in aeroengine design,such as lack of unified standard and labeling management.To solve these problems,the common parts and typical parts MBD standard was formulated in combination with the industrial features.Consideringtheknowledgeexpression and multi-domain application,Definition Based Model Views(DBMV)management method was proposed.It made 3D MBD model the only effective knowledge information data sources through the application of whole life cycle of products,applied MBDto aeroengine design successfully.

Model Based Definition（MBD）;structural design;knowledge expression;views;information management;aeroengine

V260.5

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2015.01.006

2013-06-19

李健（1984），男，硕士，工程师，从事航空发动机总体结构和外部结构相关设计研究工作；E-mail:ianleelj@gmail.com。

李健，邱明星，苏媛媛，等.MBD技术在航空发动机设计中的应用[J].航空发动机，2015，41（1）:32-35.LIJian，QIUMingxing，SUYuanyuan,et al.Research on application of MBDtechnology in aeroenginedesign[J].Aeroengine,2015,41（1）：32-35.

（编辑：沈广祥）