發(fā)動機設(shè)計特征庫的開發(fā)與應(yīng)用研究

葛玉姣　楊寧　郭桃紅

【摘 要】立足航空發(fā)動機行業(yè)當(dāng)前MBD技術(shù)應(yīng)用水平，結(jié)合新一代發(fā)動機協(xié)同研制需求及數(shù)字化技術(shù)發(fā)展應(yīng)用趨勢，開展基于MBD技術(shù)航空發(fā)動機設(shè)計特征庫的研究，對特征庫體系架構(gòu)構(gòu)建原則、特征模型創(chuàng)建方法及特征標注形式進行定義，為建立適合我國的發(fā)動機MBD技術(shù)應(yīng)用體系提供支持。

【關(guān)鍵詞】設(shè)計特征；MBD技術(shù)；通用結(jié)構(gòu)特征；典型結(jié)構(gòu)特征

1 現(xiàn)狀

目前航空發(fā)動機行業(yè)廣泛應(yīng)用NX進行發(fā)動機產(chǎn)品零部件設(shè)計，特征建模技術(shù)已經(jīng)得到了普遍的應(yīng)用，使設(shè)計的效率大大提高。但是，其特征機制在滿足用戶部分要求的同時，卻顯示出一些不足，主要表現(xiàn)為缺乏更好的建立和使用復(fù)雜特征的方法。雖然可以采用參數(shù)化設(shè)計等方式，通過幾個參數(shù)的改變實現(xiàn)不同的零件設(shè)計的目的，但由于零件的建立過程中特征歷程樹的自由性（如特征可以重新排序等），造成構(gòu)建的特征歷程與其生成的特征間的相互依賴性很強，使設(shè)計變得更為復(fù)雜。

隨著MBD技術(shù)在航空發(fā)動機行業(yè)的應(yīng)用，目前已形成了相應(yīng)的信息標識標準，但是目前MBD技術(shù)在發(fā)動機復(fù)雜結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用仍存在眾多問題，由于零件復(fù)雜、標注尺寸過多，導(dǎo)致MBD模型在可讀性、易識別性和美觀性等方面面臨著眾多問題，由零件復(fù)雜、標注尺寸過多等引起的“刺猬圖”現(xiàn)象已成為制約MBD技術(shù)有效應(yīng)用的因素。

2 設(shè)計特征庫的實施及意義

為了減少發(fā)動機設(shè)計過程的重復(fù)建模，設(shè)計歷程中特征的相互依賴性，以及MBD模型標注的復(fù)雜性，采用用戶定制的復(fù)雜特征以及采用代號標印標注來簡化這些工作：不再強迫設(shè)計人員遵循某一特定的設(shè)計格式，而是將簡單特征綜合起來成為功能全面，意義更完整的復(fù)合特征。這樣，在該復(fù)合特征中預(yù)先設(shè)定變化的參數(shù)及定位信息，使復(fù)雜的特征彼此間有更好的對立性，利用已有的復(fù)雜特征，既不必進行大量的重復(fù)工作，又容易修改維護。從而提高工作效率，以便實施快速設(shè)計；采用代號標印的方式進行MBD模型定義，用一個代號標印代替一組標注信息，標注在模型特征上，簡化了標注內(nèi)容。

通過基于MBD技術(shù)的數(shù)字化定義資源和方法研究，結(jié)合基于MBD的設(shè)計特征系列標準，構(gòu)建規(guī)范化的發(fā)動機設(shè)計特征數(shù)據(jù)庫，突破面向制造的零組件三維標注與模型查看等關(guān)鍵技術(shù)，進行重點型號產(chǎn)品研制的應(yīng)用驗證，滿足發(fā)動機產(chǎn)品數(shù)字化定義研制需求，提高發(fā)動機產(chǎn)品設(shè)計效率，縮短研制周期，提升產(chǎn)品研制的標準化、規(guī)范化水平。為三維數(shù)字化設(shè)計技術(shù)在發(fā)動機制造行業(yè)的相關(guān)應(yīng)用提供示范，全面提升航空發(fā)動機行業(yè)的核心競爭力。

3 需求概述

發(fā)動機設(shè)計特征庫軟件應(yīng)滿足設(shè)計人員基于MBD的數(shù)字化研制需求，基于MBD的設(shè)計特征系列標準進行開發(fā)，應(yīng)滿足如下功能：

（1）便于檢索和調(diào)用的界面，并能方便快捷的完成特征的調(diào)用；

（2）常用參數(shù)的選擇功能，對于有些特征可以直接選擇常用的參數(shù)，不需要重復(fù)輸入；

（3）編輯特征的功能，方便調(diào)整特征參數(shù)和定位信息；

（4）在特征創(chuàng)建后，能自動為特征生成與模板中標注一致的PMI信息，并將PMI信息自動分配到相應(yīng)的預(yù)定義模型視圖中；

（5）簡化標注信息，采用代號標印替代一組標注信息；

（6）系統(tǒng)基于Teamcenter和NX平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、保證數(shù)據(jù)的一致性和有效性；

（7）系統(tǒng)具有可靠的穩(wěn)定性。

4 設(shè)計特征庫構(gòu)建

4.1 構(gòu)建思路

依據(jù)單一數(shù)據(jù)源的設(shè)計和管理思想，基于特征庫“全局性考慮、規(guī)范性構(gòu)建、權(quán)威性驗證和安全性訪問”的構(gòu)建原則，借鑒航空企業(yè)數(shù)據(jù)庫的建設(shè)經(jīng)驗，按照標準化建庫方法，發(fā)動機設(shè)計特征庫的建設(shè)方案如圖1所示：包括設(shè)計特征庫體系架構(gòu)的構(gòu)建、設(shè)計特征庫通用要求及相關(guān)指導(dǎo)標準編制、發(fā)動機設(shè)計特征庫構(gòu)建、系統(tǒng)集成應(yīng)用與驗證、設(shè)計特征系統(tǒng)部署應(yīng)用、設(shè)計特征庫系統(tǒng)維護等工作。

4.2 設(shè)計特征庫體系架構(gòu)的搭建

設(shè)計特征庫的體系結(jié)構(gòu)可以分為3層，如圖2所示，分別為支撐層、功能層和用戶界面層。

支撐層主要為通過Teamcenter服務(wù)器，提供對特征數(shù)據(jù)管理、存儲的最基本功能。

功能層是根據(jù)系統(tǒng)的管理目標，提供相應(yīng)的功能模塊，特征調(diào)用、特征編輯、特征標注、特征管理和更新模板。

界面層：提供交互式的人機界面，使設(shè)計方便的應(yīng)用特征庫。

4.3 設(shè)計特征庫通用要求及相關(guān)標準編制

針對航空產(chǎn)品的研制管理模式，基于“健全標準”原則，編制《基于模型的定義 通用結(jié)構(gòu)特征》、《基于模型的定義 典型零件結(jié)構(gòu)特征》和《基于模型的定義 結(jié)構(gòu)特征庫通用要求》三項標準，用以指導(dǎo)、規(guī)范發(fā)動機設(shè)計特征庫的構(gòu)建。

標準中對通用結(jié)構(gòu)特征和典型零件結(jié)構(gòu)特征的分類層次進行要求，對特征結(jié)構(gòu)形式、標識、模型參數(shù)和標記示例等進行規(guī)范，提出設(shè)計特征庫的構(gòu)建和應(yīng)用要求，為發(fā)動機設(shè)計特征庫的建設(shè)和實施提供標準支持和規(guī)范。

4.4 設(shè)計特征庫特征建立

4.4.1 特征庫類層次結(jié)構(gòu)

設(shè)計特征庫包括通用結(jié)構(gòu)特征庫和典型零件結(jié)構(gòu)特征庫，其中，通用結(jié)構(gòu)特征庫的分類層次結(jié)構(gòu)見圖3，典型零件結(jié)構(gòu)特征庫的分類層次結(jié)構(gòu)見圖4。

4.4.2 特征參數(shù)表

特征參數(shù)表變量的命名應(yīng)采用英文字母、阿拉伯?dāng)?shù)字和下劃線“_”的組合，且第一位只能是英文字母。參數(shù)表結(jié)構(gòu)主要記錄特征標識、幾何參數(shù)和特征定位等信息，見表1。

4.4.3 基于UDF的特征構(gòu)建

在NX環(huán)境下，采用UDF模塊定義通用、典型特征。本文以漸開線圓柱直齒輪特征的構(gòu)建為例進行具體介紹。

表1 特征庫表結(jié)構(gòu)示例

1）參數(shù)化建模

在NX的環(huán)境下，采用參數(shù)化建模的方式建立漸開線圓柱直齒輪。模型分為漸開線輪廓齒、齒輪圓柱體、輻板和減重孔四部分，其中輻板和減重孔為可選特征，在建模過程中采用“表達式抑制”實現(xiàn)特征的抑制特性。模型如圖5所示。

2）用戶自定義特征

選擇NX工具條“用戶自定義特征”，啟動向?qū)ВM入UDF定義界面。

（1）定義特征名稱

在“用戶定義特征向?qū)А苯缑?，指定特征名稱、部件名為“zhichilun”，如圖6所示。

（2）添加UDF模型特征

將齒輪參數(shù)化建模中的特征（除參考特征外）添加到UDF模型中，作為UDF模型特征，并勾選“允許特征爆炸”，如圖7所示。

（3）定義可編輯表達式

在“用戶定義特征向?qū)А钡谋磉_式界面中，根據(jù)齒輪參數(shù)化建模表達式選擇UDF模型可編輯表達式，即設(shè)計人員在創(chuàng)建特征時需要編輯的參數(shù)，并確定表達式規(guī)則，如圖8所示。

在調(diào)用UDF時，需要確定特征創(chuàng)建時的參考，在導(dǎo)向框中，NX將顯示出所有特征創(chuàng)建的必要參考。

導(dǎo)向框中為齒輪參數(shù)化建模中創(chuàng)建預(yù)先定義的偏置坐標系“CSYS”，如圖9所示。

（5）確定UDF模型

確認UDF模型定義是否正確，如有錯誤，返回“上一步”進行修改，否則選擇“完成”。

系統(tǒng)默認創(chuàng)建的UDF模板存放在NX7.5＼UGII文件夾，將模版文件轉(zhuǎn)移至“模板匯總”對應(yīng)文件夾中。

4.5 系統(tǒng)集成應(yīng)用與驗證

發(fā)動機設(shè)計特征庫系統(tǒng)實施過程中，應(yīng)選取發(fā)動機數(shù)字化設(shè)計的典型結(jié)構(gòu)進行工程應(yīng)用驗證，根據(jù)實際應(yīng)用中的問題及時協(xié)調(diào)。對數(shù)據(jù)庫進行補充和完善使其達到工程化應(yīng)用的水平。

4.6 設(shè)計特征庫系統(tǒng)部署應(yīng)用

軟件服務(wù)器端和PDM緊密集成，部署在同一臺服務(wù)器上?？蛻舳瞬渴鹪诟髟O(shè)計部門的PC機，要求具備NX7.5和TC8.3軟件運行環(huán)境。

設(shè)計人員可通過安裝設(shè)計特征庫軟件，實現(xiàn)發(fā)動機產(chǎn)品數(shù)字化輔助設(shè)計。選擇或檢索特征，確定需要調(diào)用的特征模型，輸入尺寸參數(shù)及定位信息完成對特征的編輯，根據(jù)特征模板和數(shù)據(jù)文件為特征自動添加PMI信息，包括：尺寸標注、形位公差標注、注釋、表面粗糙度等PMI信息，同時可采用簡化標注功能提高MBD模型可讀性、易識別性。

4.7 設(shè)計特征庫系統(tǒng)維護

4.7.1 特征庫模板管理

特征庫具有可擴展性，通過“特征管理”模塊實現(xiàn)對特征模板的創(chuàng)建、刪除、編輯及分類特征模板，滿足設(shè)計對特征庫模板不斷擴充、完善的需求，特征模板管理界面如圖10所示。

4.7.2 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

管理員需要將特征模板數(shù)據(jù)導(dǎo)入到TC中，以保證特征庫客戶端可以獲取。

5 前景與展望

隨著經(jīng)濟全球化、信息一體化的快速發(fā)展，尤其是MBD技術(shù)深化應(yīng)用，基于模型定義（MBD）的數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)信息化的發(fā)展趨勢。設(shè)計特征庫與我所研發(fā)平臺緊密集成，將會在我所承研的所有型號發(fā)動機數(shù)字化設(shè)計過程中取得應(yīng)用，有效提高設(shè)計質(zhì)量和研發(fā)效率。

基于發(fā)動機設(shè)計特征庫強大的擴展性和繼續(xù)定制開發(fā)的能力，成熟的應(yīng)用框架和前后端擴展開發(fā)能力，可以在未來滿足以模型文件為核心的數(shù)據(jù)管理的更多、更高需求。通過對系統(tǒng)的不斷完善以及應(yīng)用框架不斷開發(fā)，可以實現(xiàn)規(guī)范化零件庫的構(gòu)建。為航空發(fā)動機型號設(shè)計提供便捷的資源平臺，為航空產(chǎn)品的設(shè)計提供標準規(guī)范的基礎(chǔ)支撐，為三維數(shù)字化設(shè)計技術(shù)在發(fā)動機制造行業(yè)的相關(guān)應(yīng)用提供示范，全面提升航空發(fā)動機行業(yè)的核心競爭力。

[責(zé)任編輯：湯靜]