隨著航空制造業(yè)市場的競爭日趨激烈，產品研制的周期、質量和成本等因素對飛機制造業(yè)的影響也日顯重要。而先進的產品研制方法、手段以及實施途徑是產品研制周期、質量和成本等方面最有力的保證。隨著計算機技術、信息技術以及網絡技術的發(fā)展，基于CAD/CAM系統(tǒng)的航空產品數字化設計制造技術在西方發(fā)達國家已被廣泛采用，美國波音公司波音777型飛機由于采用了該項新技術，研制周期縮短了50%，出錯返工率減少了 75%，成本降低了25%.

我國航空制造業(yè)各主機廠所在各自的型號研制中都不同程度地采用了數字化設計制造技術，取得了良好的技術和經濟效益。新型高級教練機是為滿足市場需要，由中國一航立項研制的重點型號，其主要目標就是要在盡可能短的時間里，將飛機研制出來，迅速占領高級教練機的市場。為了達到目標，貴航飛機設計研究所在立項開始就確立了以 CATIA系統(tǒng)為平臺，采用數字化設計技術加快新型高級教練機研制的決策。

飛機產品數字化設計技術的核心就是設計研制中不再以二維圖樣進行數據傳遞，而是以CATIA三維實體建模為基礎，通過虛擬裝配技術、運動仿真技術的運用，完成飛機結構、系統(tǒng)間的協調以及干涉檢查，并以三維數模的形式發(fā)放到工廠，用于工裝以及零部件的生產制造，從而在確保設計質量的基礎上，高效地完成產品的研制任務。

新型高級教練機采用的是高升阻比雙三角翼、機身兩側肋下進氣的大長細比機身、全動平尾和垂直尾翼構成的常規(guī)氣動布局，選裝先進的功能系統(tǒng)和機載設備。其中前機身、機翼外形以及前機身結構、機翼結構、系統(tǒng)為全新設計。新高教飛機前機身段設計難度大，協調極其復雜，因此前機身段的設計遵循"電子樣機"的設計理念，即:總體設計發(fā)放三維理論外形，結構設計在此基礎上，根據總體布置圖，布置出機身主要承力構件的初始模型 (承力框、縱向長析和梁等)，然后系統(tǒng)、特設進行初步布置，形成產品主模型三維協調圖，并凍結狀態(tài)。然后在此基礎上，進行結構、系統(tǒng)和特設的具體詳細設計，并進行計算機虛擬裝配、干涉檢查，反復協調，最終完善結構三維實體模型的細節(jié)設計，并將設計模型發(fā)放至工廠，用于生產準備和制造。機翼設計則以準確的三維數模發(fā)放，便于零部件的數控加工從而取消機翼模線，達到減少工裝，縮短研制周期的目的。

一、數字化技術在新型 高級教練機研制中的應用

1.全機三維外形數據的生成和外形光順

飛機三維外形設計是電子樣機設計的基礎，即根據總體布局和氣動布局以及其他設計要求來確定飛機的形狀和各部件之間的相對位置。良好的氣動外形能有效地提高飛機性能，因此對新型高級教練機的外形設計采用數字化設計手段。首先利用 CAD外形設計程序，調整設計輸入參數，然后在CATIA軟件平臺上，結合輸入的設計參數，生成新型高級教練機的全機外形，仔細檢查其光順情況是否滿足飛機外形光順設計要求。若不滿足，再返回CAD外形設計程序調整設計輸入參數，并將其輸入CATIA軟件中，這樣反復疊代，最終得到滿足外形光順設計要求的設計輸入參數，并在 CATIA軟件中生成三維外形數模。先后完成滿足理論外形和光順設計要求的包含機身、機翼、平尾、垂尾、機背油箱以及座艙蓋在內的全機三維外形設計，并發(fā)放三維數模。

所構建的全機三維外形數據已實際應用于總體布置和協調、全機氣動力特性的分析計算、全機測力吹風模型的制作、進氣道性能試驗吹風模型的制作、測壓試驗模型的制作、結構專業(yè)的結構設計、系統(tǒng)專業(yè)(艙蓋、燃油)的系統(tǒng)(結構)設計以及xx飛機制造廠的模線設計和標準樣件的制造。

2.打樣與詳細設計

基于CATIA環(huán)境，根據總體發(fā)放的三維理論外形、總體布置圖以及載荷情況，構造出機身主要承力構件的初始模型(承力框和縱向構件)，提供給系統(tǒng)、特設進行初步布置，形成產品主模型空間協調圖。先后完成了第0框~~第14斜框前機身結構、機翼、風擋、座艙蓋等三維打樣模型。

在凍結的產品主模型空間協調圖的基礎上，進行結構、系統(tǒng)、特設詳細設計，并進行計算機虛擬裝配、干涉和檢查;構建了前機身0~14框結構、機翼結構、系統(tǒng)近一萬個三維模型，進行了九千多張A4工程圖的轉換。前機身結構詳細設計的三維數模用于結構工程圖的發(fā)放、結構系統(tǒng)的進一步協調，零件、標準樣件、鈑金件模胎和樣板的數控加工，并且能準確地給出零部件的重量和重心位置，為結構減重設計提供了可靠的技術支持;同時，向工廠提供了需數控加工的全機所有零件三維數模和需數控加工模胎和樣板的鈑金件的三維數模，以及整個前機身段和機翼的三維數模。

數字化設計極大地提高了設計質量，縮短了設計周期。在設計階段通過對零組件的虛擬裝配、干涉檢查以及總體結構與系統(tǒng)、特設件的虛擬裝配、干涉檢查，將設計中的錯誤提早發(fā)現，并給出改進措施，僅總體虛擬裝配、干涉檢查就發(fā)現685項設計錯誤 。數字化樣機在設計中充分發(fā)揮了零件設計前確定邊界尺寸、設計過程中進行各相關零件協調以及設計完成后對結構、系統(tǒng)、特設件進行驗證的功能。新型高級教練機架機的試制成功充分表明，按數字樣機設計的部件與傳統(tǒng)方式設計的其他部件相比較，試制中的設計錯大大大減少。

數字化樣機為實施設計制造并行工程，加快研制進度提供了良好條件。從打樣設計一結束，各設計專業(yè)就陸續(xù)向工廠發(fā)放三維數據模型，供工廠開展生產工藝準備。先后發(fā)放了48張光盤數據，為工廠數控加工創(chuàng)立了堅實的基礎，大大縮短了理論模線、結構模線的繪制周期。對于新型高級教練機的制造，先后確定了77項數控加工零件、25項數控加工標準工裝、63項數控加工板金工裝，這些都必須以精確的三維模型為基礎。另一方面，傳統(tǒng)的按二維藍圖繪制模線方法占用人力、物力是相當多的，周期至少一年，利用三維模型畫模線，不但工作量大大減少，而且技術難度也大幅度降低，在工廠任務緊張的情況下，某飛機設計研究所協助 xx飛機制造廠承擔了全機三分之一的模線和樣板圖繪制任務，全部是利用三維數據進行的。

3.結構三維建模規(guī)范和技巧研究

三維建模規(guī)范是產品數字化設計的基礎，要使整個設計制造團隊能夠在計算機中查看并操作實體模型，能精確地交流設計意圖，就必須在造型時全面考慮產品的制造、工藝、裝配等各種信息，使零件的造型順序盡量與實際加工順序一致，特征的定義也應與實際加工的基準一致，從而使工藝設計人員能夠根據清晰的模型樹快速地給出零件的加工工藝。因此，造型過程中良好的構思和建模習慣，既可提高設計質量，又可為后續(xù)的工作打下良好的基礎。

4.仿真技術的運用研究

以CATIA三維設計軟件平臺為基礎，結合 ADMAS軟件，不僅能將飛機實體模型裝配后進行干涉檢查，而且對于運動構件還可以進行運動仿真和分析。這比起二維圖紙上反復計算、協調，再制造實物模型進行構件的協調，更加直觀和簡便，并且大大提高了設計效率和設計質量。例如在新型高級教練機結構設計初期，通過仿真技術，發(fā)現總體布置中所給出的雷達艙口蓋為兩側折翻以及將蓄電瓶放置在機頭下部是不可行的，并及時反饋給總體專業(yè)，避免了重大的設計返工問題發(fā)生。

5.三維實體模型轉化成二維工程圖的技巧研究

由于受制造廠制造條件的限制，三維實體模型和二維工程圖都需要發(fā)放到工廠作為制造的依據。而由CATIA三維模型直接轉化的二維圖形反映的僅僅是三維數模在某一個面上的實際投影，很多情況下，圖形看起來非常復雜，與常規(guī)工程圖紙表示方法不符，因此必須對其進行適當的修改，才能滿足工程使用要求。同時生成的二維圖形一般不能直接進行編輯。在實際的使用過程中，通常是將二維圖形與三維模型之間的聯系斷開，然后再進行編輯。但這樣做后，一旦零件有所更改，二維圖不會隨著三維模型的更改而更新。這就使CATIA的優(yōu)點不能充分發(fā)揮，造成工作效率的下降。經過不斷探索，將二維圖形與三維模型之間的聯系仍然保持，并在二維圖環(huán)境下，將需要編輯的線條用Duplicate Geometyr命令復制出來進行修改。將由三維方法的線條隱藏，而不是刪除。當一個圖形完成后，鎖定該圖，以免錯誤的操作造成圖形的更改。這樣，當模型更改后，二維圖形隨之更新，此時，只需要修改其中的一小部分不符合工程圖表示方法的線條，就可以完成整張圖紙的更改，并不需要重新繪制或是生成整張圖紙。

6.CATIA環(huán)境下二維工程圖圖框、標題欄、線型等國標化研究

CATIA提供了兩種實現圖紙中的圖框和標題欄的方式，一個相當繁雜，一個對中文不支持。可以通過VBScript編程來制作出符合相應要求的圖框和標題欄，然后使用 Macro命令來實現所需圖框和中文標題欄的調用。對二維工程圖其他標記和符號也進行了研究，確保 CATIA系統(tǒng)中生成的二維工程圖符合國標和企業(yè)標準要求。

二 、新高教機數字化技術的主要特點及 比較研究

新型高級教練機設計采用產品數字化技術與國內當前的最先進水平相同，但新型高級教練機設計中使用產品數字化技術又形成了一些獨有的特點。

新型高級教練機外形設計所考慮的因素很多，前機身和機翼是全新設計，而與之相連接的后機身、尾翼仍然是殲教七型飛機的外形。一個是三維全新設計，一個是按標準樣件制造，使它們在設計和制造中保持光滑連接，難度很大。在攻關工作中，通過邊摸索，邊實踐，打破常規(guī)思路，探索出了一套符合新型高級教練機外形特點的行之有效的設計和檢驗方法。

新型高級教練機前機身結構三維設計是在沒有任何二維工程圖、原準機結構作為參照的基礎上進行的產品數字化設計，其設計思路和設計過程完全符合 "電子樣機"的設計理念，這種標準的"電子樣機"設計制造流程的實施，在當今國內同行中，是走在前列的。

通常情況下，主機所僅向工廠提供數控機加件的三維精確數模，其他零件模型僅用于設計協調。但新型高級教練機前機身結構三維設計不僅向工廠提供數控加工件的精確三維數模，而且還要向工廠提供需數控加工模胎、樣板的鈑金件的精確三維數模，以及整個前機身的三維數模。因此，設計量和難度相當大，設計精度也相當高。機翼設計以準確的三維數模發(fā)放，實現了零部件的數控加工，達到了取消機翼模線、減少了工裝、縮短研制周期的目的。

仿真技術在結構、系統(tǒng)設計中的運用，將一些總體性布置的問題提早發(fā)現，避免了許多協調錯誤的發(fā)生和設計返工。

基于CATIA環(huán)境，生成二維工程圖的難度相當大，工作量也很繁重。而新型高級教練機的前機身結構全部是 CATIA環(huán)境中實現三維到二維工程圖的轉化，在不到一年的時間內，完成大量的結構、系統(tǒng)工程圖轉換，在這方面的應用研究已達到了比較高的水平，形成了自己的一些獨有的特點。

三、結束語

數字化技術在新型高級教練機研制中的應用，打破了長期以來飛機研制所沿襲的傳統(tǒng)習慣和觀念，引入了"電子樣機"的設計理念，借助 CATIA三維設計平臺，進行型號研制，大大提高了設計質量和效率。