本文探討了全三維飛機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)和應(yīng)用相關(guān)內(nèi)容。

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，特別是三維CAD技術(shù)的發(fā)展，人類使用三維模型表達(dá)設(shè)計(jì)意圖成為可能。自20世紀(jì)80 年代開(kāi)始，西方發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始把三維設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中。21世紀(jì)初，電子樣機(jī)技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)飛機(jī)研制中得到規(guī)模化應(yīng)用，并取得了顯著的效益。最近幾年來(lái)，隨著國(guó)家信息化帶動(dòng)工業(yè)化戰(zhàn)略決策的制定及其中航工業(yè)數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用頂層規(guī)劃的制定，飛機(jī)研制數(shù)字化的應(yīng)用有了長(zhǎng)足的發(fā)展，在某些方面已經(jīng)接近或趕上國(guó)際先進(jìn)水平，如在數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)方面，實(shí)現(xiàn)了100%的三維建模和100%的數(shù)字化虛擬裝配，在多個(gè)飛機(jī)型號(hào)的研制中，已經(jīng)完全使用數(shù)字樣機(jī)取代物理樣機(jī)。

　　基于CAD技術(shù)的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，給設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)帶來(lái)了巨大的好處，幾乎所有的設(shè)計(jì)意圖都可以通過(guò)三維模型進(jìn)行協(xié)調(diào)和匹配檢查、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真、分析仿真，實(shí)現(xiàn)了所見(jiàn)即所得，回歸了人類自然的創(chuàng)造模式，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少了設(shè)計(jì)返工。但是，以三維為手段的飛機(jī)產(chǎn)品研制模式，并沒(méi)因其諸多優(yōu)勢(shì)就很快替代傳統(tǒng)的以二維圖紙為手段的研制模式。由于受生產(chǎn)模式和習(xí)慣及其工廠生產(chǎn)條件、員工基本技能等因素的限制，一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)航空工業(yè)仍然采用二維加三維的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)(三維設(shè)計(jì)，二維生產(chǎn))，設(shè)計(jì)人員除了建立三維模型外，還需要把三維模型轉(zhuǎn)化為二維圖樣，提交制造廠使用，這樣不僅增加了工作量，還難以保證數(shù)據(jù)的唯一性。

　　實(shí)踐證明，二維加三維的模式已經(jīng)成為阻礙航空工業(yè)數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用進(jìn)程的主要障礙之一，因此，中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院(一飛院)在某型飛機(jī)機(jī)頭物理樣機(jī)的研制中，與成飛等單位合作，首次把全三維設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于型號(hào)的研制中。在此研制中，沒(méi)有使用一張二維圖樣，全部使用三維模型，效果顯著，得到了設(shè)計(jì)、制造及其行業(yè)內(nèi)各方認(rèn)可，目前正全線推廣應(yīng)用于整個(gè)型號(hào)研制及其他兄弟單位的飛機(jī)研制中。

　　全三維設(shè)計(jì)技術(shù)(Full Three-Dimensional Design)不僅帶來(lái)了飛機(jī)研制模式的改變，而且成就了新的高效的飛機(jī)設(shè)計(jì)手段，主要包括樣機(jī)的在線設(shè)計(jì)技術(shù)、關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)、基于成熟度控制的并行協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)等，為航空工業(yè)數(shù)字化技術(shù)體系化的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　全三維設(shè)計(jì)技術(shù)概念

　　全三維設(shè)計(jì)技術(shù)最早在波音公司得到應(yīng)用，我國(guó)航空工業(yè)全三維設(shè)計(jì)也是從波音的轉(zhuǎn)包生產(chǎn)中得到學(xué)習(xí)、啟發(fā)、借鑒和應(yīng)用的。簡(jiǎn)單地說(shuō)，全三維設(shè)計(jì)就是在建立三維模型時(shí)，不僅要包含精確的幾何模型，還需要包含尺寸、公差、基準(zhǔn)、屬性等信息，以滿足下游工藝設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求，替代原二維圖樣的功能，這樣才能把二維圖樣完全取消掉。

　　談到全三維設(shè)計(jì)技術(shù)，不得不提及基于模型定義的概念，也就是國(guó)際流行的MBD(Model Based Definition)技術(shù)。“基于模型定義的內(nèi)容應(yīng)包括飛機(jī)的功能模型(性能模型)、空間模型(幾何模型)、制造模型(工藝模型)和支持模型(維護(hù)模型)”，如圖1所示。

　　從圖1 可以看出，MBD技術(shù)涵蓋了產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、分析、制造、維護(hù)的整個(gè)生命周期，其中面向設(shè)計(jì)和制造的空間和制造模型是MBD技術(shù)的基礎(chǔ)，并且目前在國(guó)外技術(shù)應(yīng)用比較成熟，國(guó)內(nèi)在近一兩年內(nèi)也進(jìn)行了深入探索研究和試點(diǎn)應(yīng)用，因此我們所說(shuō)的全三維設(shè)計(jì)技術(shù)通常是指面向制造的模型的建立和應(yīng)用。

　　全三維設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

　　目前，全三維設(shè)計(jì)技術(shù)在中航工業(yè)一飛院所承擔(dān)的某型號(hào)任務(wù)中正進(jìn)行全面的推廣和應(yīng)用，也是我國(guó)首次把全三維設(shè)計(jì)技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于型號(hào)的研制中。

　　全三維設(shè)計(jì)技術(shù)之所以較難推廣，原因在于還沒(méi)有形成在三維模型中進(jìn)行三維標(biāo)注的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，三維數(shù)字化定義僅包含零組件的幾何模型。僅靠產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型，往往難以進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)和檢驗(yàn)。也就是說(shuō)，三維模型中沒(méi)有讓技術(shù)人員立刻明白的方式，將制造工藝、生產(chǎn)技術(shù)、模具設(shè)計(jì)與生產(chǎn)、部件裝配、部件與產(chǎn)品檢驗(yàn)等工序所必須的設(shè)計(jì)意圖添加到三維模型中去。也就是說(shuō)，雖然三維模型包含了二維圖紙所不具備的詳細(xì)形狀信息，但是，三維數(shù)據(jù)中不包括幾何公差、尺寸公差、表面粗糙度、表面處理方法、熱處理方法、材質(zhì)、結(jié)合形勢(shì)、間隙的設(shè)置、連接范圍、潤(rùn)滑油涂刷范圍和顏色、要求符合的規(guī)格與標(biāo)準(zhǔn)等，這些僅靠形狀是無(wú)法表達(dá)的(非形狀或幾何)信息。基于這一情況，美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)于2003年在波音公司舉行會(huì)議，與波音公司共同制訂了“數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)規(guī)程”(DigitalProduct Definition Data Practice，DPDDP)ASME Y14.41標(biāo)準(zhǔn)。其主導(dǎo)思想不只是簡(jiǎn)單地將二維圖紙的信息反映到三維模型中去，而要充分利用三維模型所具備的表現(xiàn)力，去探索便于用戶理解、更具效率的設(shè)計(jì)信息表達(dá)方式。”

　　全三維設(shè)計(jì)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要涉及全三維設(shè)計(jì)工具、全三維設(shè)計(jì)規(guī)范、全三維數(shù)據(jù)管理技術(shù)等幾個(gè)方面。

　　1全三維設(shè)計(jì)工具

　　全三維設(shè)計(jì)工具包括建模工具和三維標(biāo)注工具，是全三維設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用的基本工具。三維建模工具軟件較多，常見(jiàn)的有UG、ProE、CAXA、CATIA等，具有三維標(biāo)注功能的軟件以達(dá)索公司的CATIA最具代表性，也是波音和我國(guó)航空工業(yè)使用的主流三維設(shè)計(jì)軟件。

　　圖2為CATIA V5R18的三維標(biāo)注功能模塊應(yīng)用界面，窗口中編輯的是一個(gè)已經(jīng)完成三維標(biāo)注的零件，這是波音飛機(jī)中使用的一個(gè)真實(shí)的零件。圖2所示內(nèi)容基本包含了5個(gè)部分：零件的幾何模型;零件的尺寸和公差標(biāo)注;零件結(jié)構(gòu)樹(shù)幾何定義部分;零件結(jié)構(gòu)樹(shù)標(biāo)注定義部分;三維標(biāo)注工具。除尺寸和公差外，波音全三維設(shè)計(jì)的標(biāo)注還包括關(guān)鍵特征(KC)的標(biāo)注;零件的注釋說(shuō)明，零件加工工藝過(guò)程所必須提供的產(chǎn)品描述性定義信息;裝配連接定義。由于加工方法的不同，建模方法也不同。機(jī)加、鈑金、復(fù)合材料、管路系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須使用不同的工具，同樣，相應(yīng)的標(biāo)注方法也不盡相同。在建模方面，CATIA提供了通用機(jī)械零件設(shè)計(jì)模塊(MD2或HD2)，航空鈑金零件設(shè)計(jì)模塊(ASMD)、復(fù)合材料設(shè)計(jì)模塊(CPD)、管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊(PUB)及其電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊(EHD/EWR等);在三維標(biāo)注方面，CATIA提供了基于零件(FTA)和裝配件(PTA)的三維標(biāo)注工具模塊。

　　2全三維設(shè)計(jì)規(guī)范

　　全三維設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，離不開(kāi)全三維設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用規(guī)范。波音為了推動(dòng)全三維設(shè)計(jì)的應(yīng)用，編寫了BDS-600系列規(guī)范，共計(jì)23種。

　　中航工業(yè)一飛機(jī)院在某型飛機(jī)的研制中，為推進(jìn)全三維設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用初期，成立了由總體、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、信息和標(biāo)準(zhǔn)部門專門人員組成的MBD技術(shù)應(yīng)用攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，通過(guò)研究在三維模型上進(jìn)行尺寸和公差標(biāo)注技術(shù)方法、剖視圖生成技術(shù)方法、加工要求標(biāo)注技術(shù)方法、特征視圖捕獲創(chuàng)建與管理技術(shù)方法、附加標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)信息技術(shù)方法、采用零件模型進(jìn)行三維裝配模型的標(biāo)注技術(shù)等，并通過(guò)對(duì)波音實(shí)例零件的分析消化及其與制造部門的協(xié)調(diào)，初步確定了MBD的技術(shù)方案，編寫了全機(jī)物理樣機(jī)三維制圖標(biāo)注規(guī)定，為全三維設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

　　目前中航工業(yè)一飛機(jī)院已經(jīng)完成全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造標(biāo)準(zhǔn)文件20余份，基本形成完整的技術(shù)體系，位居行業(yè)前列。

　　3全三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理技術(shù)

　　以三維模型為核心的飛機(jī)研制，改變了傳統(tǒng)的飛機(jī)研制模式，無(wú)論是數(shù)據(jù)的形式(紙質(zhì)變電子)和內(nèi)容(平面變立體)都發(fā)生了變化，給數(shù)據(jù)的管理、審核和發(fā)送提出了新的挑戰(zhàn)。實(shí)踐證明，像紙介質(zhì)一樣人工管理三維模型的方式已經(jīng)無(wú)法滿足全三維設(shè)計(jì)技術(shù)的要求。因此，波音在推進(jìn)全三維設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用的同時(shí)，積極推進(jìn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)的應(yīng)用，建立了全球協(xié)同研制環(huán)境(GlobalCollaboration Environment，GCE)，解決全三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的管理問(wèn)題、設(shè)計(jì)的并行問(wèn)題、制造的協(xié)同問(wèn)題、技術(shù)狀態(tài)的管理問(wèn)題等，形成了一套完整的全三維飛機(jī)研制技術(shù)體系和解決方案。

　　中航工業(yè)一飛機(jī)院在某型飛機(jī)的研制中，以全三維研制技術(shù)體系為支撐，建立了以關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)和協(xié)同研制為主體的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境(DigitalC o l l a b o r a t i o nE n v i r o n m e n t，DCE)，解決全三維設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)管理和并行協(xié)同研制問(wèn)題。DCE平臺(tái)主要由關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)子系統(tǒng)和協(xié)同研制子系統(tǒng)兩大子系統(tǒng)構(gòu)成，2個(gè)子系統(tǒng)之間通過(guò)接口連接，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和流程的控制。

　　關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)子系統(tǒng)，主要面向設(shè)計(jì)，完成設(shè)計(jì)內(nèi)部各專業(yè)之間的數(shù)據(jù)共享、設(shè)計(jì)并行和模型的成熟度控制，提供模型標(biāo)注工具與模板，進(jìn)行在線設(shè)計(jì)和關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。

　　協(xié)同研制子系統(tǒng)，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的審核/發(fā)送控制，進(jìn)行數(shù)據(jù)向制造廠的發(fā)送、試制問(wèn)題的處理和溝通，進(jìn)行更改控制和技術(shù)狀態(tài)管理等。DCE平臺(tái)解決了全三維設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)管理問(wèn)題，為保證型號(hào)的順利研制起到非常重要的作用。

　　4全三維設(shè)計(jì)的推廣

　　全三維設(shè)計(jì)是一種新技術(shù)，必然會(huì)受到傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)習(xí)慣的阻礙與限制，特別對(duì)于制造部門，無(wú)疑是一場(chǎng)革命，將改變?cè)械难兄屏鞒蹋岣呒夹g(shù)人員的技術(shù)水平，變革原有的設(shè)計(jì)工具。因此，在全三維設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，有些不是通過(guò)技術(shù)手段可以解決的，必須通過(guò)管理手段，在此過(guò)程中最為艱難的是“要從二維圖紙文化這種現(xiàn)有概念中跳出來(lái)”，要從決策和管理層進(jìn)行推進(jìn)。

　　全三維設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用

　　在某型飛機(jī)的研制中，中航工業(yè)一飛院作為總師單位聯(lián)合國(guó)內(nèi)六大制造廠，首先在機(jī)頭、起落架和尾翼部分全面推廣全三維設(shè)計(jì)技術(shù)，涉及零件近萬(wàn)個(gè)，涵蓋了機(jī)加、鈑金、復(fù)合材料、管線和裝配等幾乎所有零組件的制造類型，應(yīng)用效果明顯，據(jù)設(shè)計(jì)人員初步估算，一般零件和組件設(shè)計(jì)，效率提高2~3倍，復(fù)合材料零件設(shè)計(jì)效率提高5倍。圖3和圖4分別圖示了機(jī)加零件和管路系統(tǒng)的全三維設(shè)計(jì)。

　　全三維設(shè)計(jì)技術(shù)方法

　　全三維設(shè)計(jì)不僅僅改變了設(shè)計(jì)思想的表達(dá)方法(從二維到三維)，而且可以改變?cè)O(shè)計(jì)方法。全三維設(shè)計(jì)是在CAD技術(shù)支持下，利用計(jì)算機(jī)幾何設(shè)計(jì)、圖像處理等技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)物體的虛擬表現(xiàn)。三維模型中基本的幾何要素(點(diǎn)、線、面等)都是用不同的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述的，并以對(duì)象的方式存在于數(shù)據(jù)中，這樣就很容易建立對(duì)象之間的各種關(guān)系(包括引用、連接、繼承等)，因此，全三維設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用必然會(huì)引起設(shè)計(jì)方法的改變，如模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)、模型之間的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)等。

　　支持參數(shù)化設(shè)計(jì)，是CAD軟件的基本功能，在此基礎(chǔ)上形成的特征設(shè)計(jì)，超強(qiáng)拷貝(Power Copy)及其知識(shí)工程，則是參數(shù)化設(shè)計(jì)的高級(jí)應(yīng)用。參數(shù)化設(shè)計(jì)解決了零件建模的自動(dòng)化問(wèn)題，比如標(biāo)準(zhǔn)件系列建模，給定不同的參數(shù)，就會(huì)得到同一類型不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)件。如果建立了模型之間幾何元素的引用和參考關(guān)系，就可以進(jìn)行飛機(jī)設(shè)計(jì)中不同專業(yè)之間及其專業(yè)內(nèi)部上下游之間的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)是在三維設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)建立模型之間的相互依賴關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)研制中上下游專業(yè)設(shè)計(jì)輸入與設(shè)計(jì)輸出之間的影響、控制和約束關(guān)系。

　　關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)實(shí)施的難度在于頂層規(guī)劃設(shè)計(jì)和關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)規(guī)范的定義，包括骨架模型和接口的定義規(guī)則，梳理專業(yè)之間的業(yè)務(wù)流程，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組織定義，骨架模型的分布規(guī)則等。中航工業(yè)一飛院在某型飛機(jī)的研制中，通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，建立了關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)體系，把關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)成功應(yīng)用于總體、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，取得顯著的成果。

　　除關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)外，全三維設(shè)計(jì)技術(shù)還在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)支持下，實(shí)現(xiàn)樣機(jī)的在線設(shè)計(jì)和基于成熟度控制的并行設(shè)計(jì)等，為高效快捷進(jìn)行飛機(jī)研制提供了非常有效的手段。

　　推動(dòng)全三維設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用

　　全三維設(shè)計(jì)技術(shù)為飛機(jī)研制數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2006年12月26日波音攜手達(dá)索向公眾展示了787虛擬生產(chǎn)線，此前不久波音向世界宣布了787夢(mèng)幻飛機(jī)虛擬下線，這是人類首次通過(guò)仿真技術(shù)測(cè)試驗(yàn)證新產(chǎn)品并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品下線。夢(mèng)幻線過(guò)程集成副總裁Kevin Fowler總結(jié)說(shuō)“像波音787夢(mèng)幻線這樣具有突破性的項(xiàng)目，需要在性能、質(zhì)量、成本和時(shí)間上都處于領(lǐng)先地位，而這些要以有效靈活的生產(chǎn)規(guī)劃作為支撐。三維的PLM能夠很好地滿足這些需求”。

　　全三維設(shè)計(jì)技術(shù)可保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的唯一性;保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的一致性;提高設(shè)計(jì)效率、保證設(shè)計(jì)質(zhì)量;設(shè)計(jì)意圖直觀表現(xiàn)，提高制造效率和質(zhì)量;可直接應(yīng)用于后續(xù)的仿真與分析，簡(jiǎn)化分析建模，減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;是飛機(jī)數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。全面推動(dòng)全三維設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，必將帶動(dòng)我國(guó)航空數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的跨越式發(fā)展，縮短與發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)差距，當(dāng)然這其中會(huì)遇到相當(dāng)大的困難，但需要有打破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)習(xí)慣的魄力和決心。