基于全三维设计的航空紧固件辅助设计系统

2016-03-18Intelligentdesignsystemforaviationfastenersbasedonfull3Ddesign

制造业自动化 2016年1期

关键词：紧固件选型航空

Intelligent design system for aviation fasteners based on full 3D design

郭建烨，辛宇娟，屈力刚，杨野光，刘　跃

GUO Jian-ye, XIN Yu-juan, QU Li-gang, YANG Ye-guang, LIU Yue

（沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，沈阳 110136）

基于全三维设计的航空紧固件辅助设计系统

Intelligent design system for aviation fasteners based on full 3D design

郭建烨，辛宇娟，屈力刚，杨野光，刘跃

GUO Jian-ye, XIN Yu-juan, QU Li-gang, YANG Ye-guang, LIU Yue

（沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，沈阳 110136）

摘要：MBD模型已成为全三维设计、制造、装配、检验的数据基础。占飞机整体零件数量半数以上的紧固件，传统手工查阅完成紧固件选型的工作方式效率低、错误率高。紧固件种类繁多、造型复杂，传统的MBD三维模型表达方式在加大建模工作量的同时，也使得装配信息冗杂不直观。针对飞机全三维设计过程中，紧固件装配设计重复率高、效率低、准确率低的特点，建立基于全三维设计的航空紧固件智能设计系统。该系统以基于知识的紧固件动态数据库为基础，建立规范化的航空紧固件选用流程，采用紧固件3D点线表达&结构化管理，实现航空紧固件的智能化设计，提高飞机的设计效率、装配效率。

关键词：MBD；动态数据库；3D点线表达；设计效率；装配效率

0 引言

无论是军用、民用，现代飞机采用了大量紧固件，将组成飞机的零件、组件、部件连接成有机整体。紧固件使用数量少则几十万件，多则上百万件；紧固件类型结构多样，需要根据使用部位、使用环境、使用载荷、寿命要求等进行选用。在以往的紧固件设计过程中，一般采用手工查阅方式进行紧固件的选择和信息标注，由于紧固件数量庞大、选用复杂，不仅花费时间长，而且容易出现选型、标注错误，整体设计效率亟待提高。

在飞机体装配设计制造过程中，需要定义及使用大量的与紧固件相关的几何信息和非几何信息；装配设计时需要把紧固件的附属信息、连接信息等内容附加到三维模型上，生成完整的三维数字化产品定义；然后交付装配车间，装配工程师从模型中快速获取所需要的装配数据，从而从设计数据到装配数据的快速传递。

图1　紧固件数据库结构图

通过通用软件，设计人员需要手工定义及获取数以万计的紧固件信息，其中包括：紧固件牌号、紧固件安装位置等，这将是一项繁琐、易错、费时的工作；同时，定义和共享这些信息时，信息的自动同步、三维CAD系统地通用化是必须考虑的问题。工程师需要综合紧固件信息建立正确的使用规范，在满足规范要求的前提下，高效定义制造过程的不同阶段状态，确保最终产品满足工程要求。

图2　螺栓主辅对应关系

1 基于知识的紧固件数据库

各个航空企业针对自身研发的机型，都有自己内部独立编汇总、编纂的紧固件手册。设计人员人工查阅三四百页的紧固件手册，综合考虑零部件位置、载荷要求、变形程度等因素，确定紧固件规格。计人员主要确定紧固件几何信息，非几何信息的表达（如装配技术要求、开口销类型、润滑、热处理、表面处理等）对装配过程也有重要影响。针对紧固件数量大、数据信息冗杂、选用规则繁琐、主辅关系多样的特点，建立一个基于知识、可实时查询/更新的紧固件数据库势在必行。将二维纸质的紧固件信息转化成动态数据库，成为紧固件快速安装系统的前提与基础。图1为紧固件数据库结构图。

2 规范化的航空紧固件选用流程

紧固件参数数据库严格依照《飞机标准件手册（上）》（2014年3月第1版，以下简称“手册”）中记录的紧固件参数进行录入，其中涉及紧固件标准约350项，规格约21000个。紧固件标准繁多，选型复杂例，将紧固件手册中的主辅对应关系梳理清楚，建立一套严谨、通用性较强的紧固件选用逻辑。遵循紧固件选用逻辑建立的动态数据库使得紧固件选用过程规范化、智能化。图2为螺栓主辅关系对应表。图3为螺栓选型示意图。

3 航空紧固件的3D点线表达

全三维设计中，MBD概念旨在将产品设计、制造、装配过程中的所有信息集成在产品的三维模型中，以实现无纸化的三维数字集成制造。紧固件占飞机零件总数半数以上，种类繁多、数量巨大，选型繁琐。在遵循MBD信息集成化的原则下，采用“3D点线”方式表示航空紧固件。其中，点的物理属性代表紧固件的安装位置；直线的物理属性：长度，代表紧固安装前/安装后的轴向尺寸；方向，代表紧固件的安装方向。图4表示基于MBD的紧固件信息分类。CATIA软件环境下紧固件的3D点线表达如图5所示。

图3　螺栓选型示意图

图4　紧固件3D点线表达示意图

图5　CATIA软件环境下紧固件的3D点线表达

4 紧固件信息结构化管理

“点线”方式是针对单个紧固件的信息表达方式；面对同一机型研制过程中数以万计的紧固件，需建立一种宏观角度上更为合理的紧固件管理方式。利用CATIA 的.CATPart文件实现紧固件相关信息的存储；根据CATIA特征树的理念，确定以“夹持组”为基础进行紧固件信息的分类管理。紧固件结构化管理示意图如图6所示。