MBD技术在航空发动机结构设计中的应用

0 引言

航空发动机产品研制涉及学科种类多，设计／工程技术要求高，部件／系统间协调关系复杂，整机综合匹配困难，是一项繁杂的综合类系统工程。而结构设计是研制过程中一个非常重要的环节，要综合气动、流体、传热、材料、工艺、强度、振动、装配、使用和维修等诸方面的问题，还要考虑实际制造与使用的具体条件，并结合国内外航空发动机的使用经验，通过权衡，得出适用的设计。

传统的发动机结构设计从方案设计到工程设计，再到生产制造，均通过绘制二维图来表达产品的几何轮廓、尺寸、公差和工艺制造要求，存在错误表达和被错误理解的风险。为了解决这个问题，工程领域发展了全三维数字化技术，其典型特征是基于模型的定义(Model Based Definition，简称MBD)，用三维实体模型代替二维图形表达产品定义信息，即用三维实体模型直接定义最终的三维产品，从而避免了通过二维图和文字来重构三维产品模型呵能带来的理解和表达偏差，使得三维模型成为产品整个研制过程中的唯一数据源。

目前，国外MBD技术的应用已经比较成熟，如波音公司在以波音-787为代表的新型客机研制过程中，全面采用了MBD技术，将三维产品制造信息与三维设计信息共同定义到产品的三维模型中，摒弃二维图样，并将MBD模型作为制造的唯一依据。国内航空业也开始研究MBD技术，并尝试应用于产品设计、制造的各个环节。

随着MBD技术不断发展完善，航空发动机的设计方法也在不断地发展、进步。针对航空发动机结构设计中部件与部件间、部件与系统间、零件与零件间存在大量的几何及非几何的关联关系这一特点，尝试通过数字化设计技术建立、控制和传递这种关联影响关系，从而实现上下游设计信息的快速传递，以及更好地开展多专业、多部门间协同并行设计，缩短产品研制周期以及提高产品质量和生产效率。

本文对MBD技术、关联设计技术、协同设计以及MBD关联设计在航空发动机结构协同设计中的应用进行了探索与研究。

1 MBD技术概述

1.1 MBD技术的定义

MBD技术是一种新的产品数字化定义技术，是指用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息的方法。该技术是将原来定义在二维图纸上的几何结构设计信息、生产工艺制造信息和产品属性管理信息，共同集成定义在三维数字化模型中。改变了传统的二维图纸定义产品的轮廓、尺寸、公差及工艺信息，或者：二维图纸为主辅以三维模型的方法，同时使制造单位以三维数字化模型为依据，开展工艺、制造、装配、检测、服务等工作，实现设计、工艺、制造、检测等的高度集成，有效地解决了设计、制造、使用维护一体化的难题，消除了传统研发模式中三维模型与二维图纸之间的信息冲突，减少了创建、存储和追踪的数据量，保证了产品制造信息的准确性、唯一性、快速性，从而有效缩短了产品研制周期，提高了产品质量和生产效率。

1.2 MBD技术的应用

2003年7月，美国机械工程师协会发布了关于三维模型标注信息内容的标准(ASMEY14.41)，用以解决图纸与信息系统传输之间的矛盾。随后，波音公司率先在787项目中开始推广使用MBD技术，使得项目的整个研制周期缩短约30%，提高了研制效率。MBD技术的应用同时减少了物理样机的制造及由二维图纸不精确造成的理解偏差，整合了设计、制造等方面的流程，相应节约了成本并提高了产品质量。

同样地，国外其他公司如R&R也开始逐步应用MBD技术，即在产品研发中，以具有PMI(Product Manufacturing Information，产品制造信息)三维标注的模型作为唯一数据源，保证了产品制造信息的准确、快速传递。

2008年以来，国内航空业开始逐步引入MBD技术，在多型号研制中开展了试点应用与实践，并取得了显著成效。在航空发动机领域，形成了基于UG的MBD三维标注规范，用于指导行业内航空发动机的全三维数字化设计。

虽然MBD技术在国内已经具有了一定的应用基础，但相对国外企业，其综合应用水平及能力仍然存在较大的差距，尤其是在航空发动机方面，MBD技术仍未在型号研制中全面覆盖并应用，具体表现为：

(1)全三维数字化模型未落实并贯穿于整个产品制造过程始终，仍需二维图纸进行辅助支撑：

(2)三维数字化设计制造一体化集成应用体系尚未贯通；

(3)基于全三维数字化模型的设计、制造、装配、维护和管理体系尚未建立：

(4)并行协同研制中的信息共享与流程控制尚未规范；

(5)三维标注信息规范有待完善。

1.3 全三维数字化模型信息表达方法

与飞机主要使用CATIA建模环境不同，航空发动机全三维数字化设计主要基于UGNX环境，其完整的数据集主要包括三维模型、PMI标注信息和属性管理信息等。

三维模型包括控制几何体、辅助几何体和模型几何体。控制几何体是上下游模型中有关联关系的几何元素，这些元素可以是坐标系，也可以是点、线、面、曲面等内容，是建立下游模型的基础控制条件，驱动相关联模型的更改；辅助几何体不是必要的制造工艺信息，而是建模过程中的辅助信息，即在控制几何信息与零件几何信息的基础上构建模型所需的几何数据；模型几何体是描述最终实体零件的模型几何体，包括模型中一系列的几何特征。

PMI标注信息为产品制造信息，包括尺寸与公差配合要求、形位公差要求、基准与粗糙度要求、其他注释信息和技术条件等。

属性管理信息包括发动机研制型号，零件的名称、编号、重量、材料等信息。

2 关联设计方法概述

2.1 关联设计技术的定义

随着MBD技术的发展，三维模型的快速创建及上下游模型设计信息的准确传递成为了发动机结构设计过程中另一至关重要的因素。

航空发动机结构复杂，部件与部件间、零件与零件间存在人量几何关联关系，往往一个模型的变更，牵连到周围数个模型的变更，单一的模型参数化定义无法满足因设计过程迭代引起的关联结构变更需求，为此MBD的关联设计技术应运而生。

关联设计(Relational Design)是通过建立一种特殊形式的参数化模型，即控制模型(Control Model)来实现上游设计对下游设计的关联影响，控制模型不是产品制造的必要信息，仅是为快速而准确地传递上游控制要求，建立的一种关于上下游设计输入与输出的影响、控制和约束关系。

控制模型可以是坐标系，可以足点、线、面、曲面等几何元素，可以足从实体上抽取的点、边、面等拓扑元素，也可以是实体。

2.2 关联设计方法

关联设计方法是一种参数化设计技术，通过控制模型来定义一个模型和另一个模型之间的关联关系。通过对航空发动机总体、部件、系统进行分析，总结和梳理出各自部分之间的相互关联影响关系，将对这些关联关系起决定性作用的几何元素定义为控制元素。对于产品控制模型而言，要定义产品的总体架构和部件（系统）的接口。接口是起控制作用的几何元素的集合，是上游设计活动控制下游设计活动的手段：架构为按不同研制阶段总体、部件、系统定义的具有联系的接口的集合，这些集合具有层次关系。

在航空发动机产品项目型号的DBOM (Design BOM)根目录下建立总体的控制模型，该模型下包含了总体专业在设计过程中将要用到的各部件（系统）相关的所有关键设计输入控制元素（包括关键的坐标系、界面或界面接口）。部件控制模型首先关联引用总体专业规定的控制元素，在此基础上增加部件内部控制元素，具体的零件或模块设计则通过引用部件控制元素开展详细设计，完成最终的产品定义。

2.3 关联设计技术的作用

航空发动机结构复杂、零件多、系统多，设计和制造难度高。在设计过程中，结构设计人员需要大量协调沟通，反复迭代，不断完善设计方案。同时，好的结构设计需要综合考虑材料、工艺，并能满足发动机苛刻的热负荷和压力负荷的工作环境，因而需要结构设计人员和气动传热、强度分析、材料、工艺等多专业间的反复迭代与协调。

传统设计过程中，上下游设计的影响关系一般通过间接的方式传递，如发送内部通知单、技术协调单等，或通过共享数据模型，信息传递时间和路径长，容易产生信息传递遗漏与错误。

在全三维数字化模型中，通过定义发动机结构设计中总体层级、部件层级的接口控制模型，可实现总体与各部件及系统、各部件及系统内部设计关联和信息共享，加快协调和更改的速度。

由于MBD数据集可以包含设计、工艺、制造、检验等各方面信息，且数据源唯一，上下游相关人员基于一个数据模型开展工作，方便了后续的制造及数字化装配设计，可以使得设计生产制造数据保持一致。全三维模型直观，更容易理解，减少了信息传递遗漏和人为判别错误的风险。

当控制模型中界面间的控制要求发生变更时，设计更改可以自动流转到下游，模型自动更新更改，可实现设计过程快速迭代，减少设计错误，极大地缩短研制周期，提高产品设计质量。

3 MBD关联设计技术在航空发动机结构协同设计中的应用

3.1 协同设计的定义与作用

MBD技术能够基于唯一数据源更加准确地表达设计意图，而关联技术则能更加快速地传递更改信息，减少迭代，以二者技术为基础而建立的关联协同设计环境，能够全面有效地组织、应用和管理全三维模型数据，便于设计内部、设计制造等并行开展工作，因此，数字化系统及数字化协同管理系统目前已被航空发动机各设计研制单位及制造单位重点关注。

通常把通过交流、协调完成各自的设计工作过程称为协同设计。将用于协同设计的工具集成为一个系统，称为协同设计系统，通过这种统一的平台开展设计工作，可以减少由多企业、多专业、多个技术人员等带来的因沟通不畅或者文件版本不统一导致的错、漏等问题，使得整个研制价值链能够无缝、安全地共享知识和信息，创建、积累并重用各个产品系列的最佳实践等内容，同时由于可以通过协同并行开展设计、工艺等工作，相应整合、规范与精简了设计流程和制造流程，减少了规划与准备时间，提高了全生命周期的设计效率与生产管理效率，对设计项目的进度管理、人员负荷管理、审批流程管理、模型管理、构型管理等规范化管理亦具有极大的促进作用。

3.2 关联设计在航空发动机结构协同设计中的应用

下面以总体、风扇增压级部件方案设计阶段的结构协同设计为例，来说明关联设计技术在航空发动机结构协同设计中的应用，基本过程如下：

(1)在方案设计的开始，总体结构专业进行发动机的顶层结构设计，以便各部件及系统在同一环境下进行协同和关联设计。首先总体结构设计者建立并发布整机控制模型，包括定义整机坐标系和各部件坐标系，定义各部件气动界面及接口，在此基础上进行总体结构初步方案设计，建立航空发动机总体方案初步布局模型，包括风扇增压级、压气机、燃烧室、涡轮等初步模型。

(2)根据整机初步模型进一步细化整机控制模型，并在总体专业内部迭代完善后通过协同设计平台再次发布，供部件及系统结构等专业关联引用。部件及系统结构专业根据总体结构专业发布的控制模型开始进行方案阶段部件及系统结构控制模型及模型的建立，如风扇增压级中控制模型的建立，首先关联引入总体结构控制模型中的部件坐标系、风扇机匣前后端面、中介机匣前后端面、流道控制面等控制元素要求，同时新增建立叶片型面为控制元素。风扇增压级方案模型关联引用控制元素要求，使多个设计者在同一部件控制模型要求下，参考初步模型，进一步建立风扇机匣、中介机匣、帽罩、流道板等方案模型，最终完成风扇增压级方案阶段模型的设计。

(3)当控制模型发生变更时，关联的模型自动更新，当控制模型中尺寸1由239变更为242时，风扇轴模型尺寸2无需修改，自动更新为242。

4 结语

本文通过分析MBD技术及关联技术在发动机结构没计中的表述方法，对航空发动机结构协同设计中的MBD关联设计技术的应用进行了初步探讨。由于MBD关联协同设计技术可以通过唯一数据源，使上下游信息及时快速而准确地传递，从根本上促进设计质量与效率的提高，缩短产品的研制周期，因此MBD关联设计技术的应用将为航空发动机产品研制带来巨大收益。