材料信息在MBD數(shù)據(jù)集中的表達與集成應用研究

（中航通飛研究院有限公司，珠海 519040）

MBD技術(shù)在波音737-NX飛機上的成功應用在飛機設計制造一體化領(lǐng)域掀起了一場變革， MBD自國外民機轉(zhuǎn)包生產(chǎn)引入中國以來，國內(nèi)北航等高校先后開展了基礎研究。文獻[1-2]對MBD模型的表達方式進行了研究，文獻[3]對技術(shù)注釋在MBD模型中的表達進行了初步解析，文獻[4-6]表明了國內(nèi)航空研究所在型號研制過程中開始了MBD技術(shù)應用的嘗試，并在技術(shù)注釋、標準件的簡化表達及面向MBD模型的構(gòu)型管理方面經(jīng)過艱難的探索過程，取得顯著效果。國標委在標準層面參考ISO16792標準的基礎上，發(fā)布了國家標準《技術(shù)產(chǎn)品文件—數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》（GB/T 24734-2009），用以規(guī)范國內(nèi)企業(yè)的MBD 技術(shù)的應用，目前主流的三維CAD系統(tǒng)也都開發(fā)了三維標注的模塊，如CATIA 的FAT模塊，以支持三維標注的應用。文獻[7]提出了MBD工序模型快速生成方法，嘗試用MBD工序模型取代傳統(tǒng)的二維工藝卡。文獻[8]對MBD技術(shù)應用中出現(xiàn)的問題進行了歸納總結(jié)，文獻[9]在MBD技術(shù)應用的深度方面進行解析，為MBD技術(shù)的深入應用給以啟示。

筆者在民用大飛機適航取證過程中發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)的幾個重點民用飛機型號均采用了MBD技術(shù)，設計所MBD技術(shù)應用程度較深，在局部應用方面有所突破，但在制造領(lǐng)域的應用還不夠深入，MBD應用缺少頂層設計，標準規(guī)范還不夠健全，設計的數(shù)據(jù)源不唯一，制造廠對設計所提供的數(shù)據(jù)元無法直接重構(gòu)利用，尤其在進行BOM提取、構(gòu)型審核時，設計構(gòu)型和制造構(gòu)型差異對比分析仍缺少先進的方法和手段，MBD集成應用體系尚未完全形成。MBD技術(shù)應用所帶來的變革要想獲得成功需要在原有二維圖紙模式基礎上進行多方面的革新，并進行數(shù)字化、系統(tǒng)化集成。本文從材料信息的表達入手，開展面向全生命周期的材料表達與數(shù)據(jù)管理研究，探索面向適航取證的MBD集成應用路徑。

材料信息在MBD模型中的定義

基于模型的定義MBD（Model Based Definition）是使用三維實體模型及其關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)來進行產(chǎn)品定義的方法，這些數(shù)據(jù)的集合也被稱為數(shù)據(jù)集，它們包括總體尺寸、幾何尺寸和公差、組件材料、特征和幾何關(guān)系鏈接、輪廓外形、物料清單、工程說明和其他細節(jié)。在傳統(tǒng)的以二維為輔、三維模型為主的研制模式下，材料信息只在圖紙或BOM中給出簡單的材料名稱或牌號信息，材料信息量小，不能滿足設計、制造的全面需要，重量計算需要材料密度和模型的體積等信息，強度計算需要材料性能曲線，這些信息都需要相關(guān)人員查詢材料手冊或手動計算重新輸入。MBD理念下的材料信息管理需要突破傳統(tǒng)的文件數(shù)據(jù)集管理粒度，穿透到文件數(shù)據(jù)集的內(nèi)部，挖掘MBD數(shù)據(jù)集的表現(xiàn)力，將材料信息粒度化、分散定義，通過三維設計軟件和PLM軟件的集成實現(xiàn)單一控制權(quán)限下統(tǒng)一格式的集中工程數(shù)據(jù)定義、管理和再利用。

1 金屬材料信息的定義

MBD數(shù)據(jù)集的材料信息可分為：（1）零件設計要求所使用的材料名稱、種類、牌號、熱處理狀態(tài)、規(guī)格；（2）總體重量專業(yè)計算重量所需要的密度數(shù)據(jù)；（3）零件制造單位所需要的材料毛料尺寸；（4）采購部門進行材料采購所依據(jù)的材料規(guī)范；（5）設計部門規(guī)定的在材料性能滿足要求的情況下，制造部門可使用的替代材料；（6）強度計算部門所使用的材料性能數(shù)據(jù)，如屈服強度、泊松比、應力應變曲線等。對于以上材料信息，在MBD模型中可采用顯性或隱性的方式表達，材料的性能、密度數(shù)據(jù)以材料球的方式在模型中進行隱性表達，這些信息可直接作為重量、強度專業(yè)的設計輸入數(shù)據(jù)。材料名稱、牌號、規(guī)范等信息在三維軟件CAITIA中可采用建立幾何圖形集并配以參數(shù)的形式顯性規(guī)范表達，如圖1所示。為實現(xiàn)以結(jié)構(gòu)化BOM數(shù)據(jù)為核心基礎的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，對材料信息進行粒度化分解組合，將材料名稱和種類歸為“材料名稱”類，將材料牌號、熱處理狀態(tài)、規(guī)格歸為“材料牌號”類，材料規(guī)范、毛料尺寸是工藝及采購部門直接需要的數(shù)據(jù)可單獨作為一類。粒度的大小取決于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的需要和企業(yè)生產(chǎn)管理能力。粒度越大，生產(chǎn)制造、采購等需要對材料信息進行人為或信息化處理，重構(gòu)BOM越難，管理越粗放，成本越高。粒度越小，后期重構(gòu)BOM越容易，更利于精細化管理。

2 非金屬材料信息的定義

在裝配件中，經(jīng)常需要表達密封、焊接、膠接定義，MBD模式下必須建立相應的輔助耗材表達方式，讓制造單位以直觀的方式讀出設計意圖。密封區(qū)域用近似的幾何形狀表示，如包絡體或曲面。包絡體或面片以特殊顏色和透明度表示，每個密封定義項所定義的密封要求適用于所有與該密封定義項相關(guān)聯(lián)的密封對象，當密封對象的要求發(fā)生變化時，則要生成新的密封定義項。在密封定義項下定義“密封材料”數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集的定義可以與定義金屬材料的方式相同，如圖2所示，以參數(shù)形式定義密封長度、厚度，通過自動計算方式給出重量數(shù)據(jù)。

3 復合材料信息的定義

復合材料結(jié)構(gòu)鋪疊成型的“增材”制造模式?jīng)Q定了復合材料零件的材料定義方式與金屬零件的完全不同。主流復合材料專用設計軟件主要有Fibersim 軟件和CATIA的CPD模塊，為了實現(xiàn)復合材料的自動化下料、自動鋪層等數(shù)字化制造方式，在軟件中結(jié)合復合材料的設計方式，內(nèi)嵌材料屬性的表達方式（圖3）。但其材料信息還不足以全部表達復合材料成型所用的全部材料信息，必須對軟件自帶的材料庫進行擴展，并在結(jié)構(gòu)樹中參考金屬材料、非金屬材料的表達方式定義蜂窩拼接膠材料、面板與蜂窩膠接的膠層材料、蜂窩芯加強所用的泡膠材料、封邊材料等。鋪層設計完成后還應根據(jù)鋪層的面密度，鋪層的厚度計算出零件重量組后根據(jù)重量和體積給出擬合的材質(zhì)球，系統(tǒng)根據(jù)材質(zhì)球，自動進行重量、重心及轉(zhuǎn)動慣量的計算。

圖1 材料信息在金屬零件中的表達Fig.1 Definition of material information in metal part

圖2 非金屬材料信息在裝配件中的表達Fig.2 Definition of material information in nonmetal part

材料庫功能架構(gòu)及基礎數(shù)據(jù)的構(gòu)建

1 材料庫基本功能架構(gòu)

面對品種繁多、快速發(fā)展的航空航天材料，設計工程師要花費大量的時間和精力去查找材料規(guī)范確定材料，并在設計分析過程中應用材料。在材料的開發(fā)、生產(chǎn)、流通和應用過程中涉及到物和信息的大量流動必須記錄與規(guī)范。通過建立材料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可實現(xiàn)用數(shù)字化手段對材料數(shù)據(jù)進行高效、統(tǒng)一的管理。材料與管理系統(tǒng)功能模型如圖4所示，材料包括金屬材料、非金屬材料和企業(yè)符合標準的材料實例，也包括企業(yè)自用的復合材料。完善的材料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以提供工程材料數(shù)據(jù)的單一數(shù)據(jù)來源，保證被引用的材料數(shù)據(jù)齊全、準確。同時，通過材料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以使各型號材料數(shù)據(jù)共享、復用和查看，使得設計人員可快速、方便地對其進行檢索并導入到設計和仿真工具軟件中。工程材料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的建設思路是以網(wǎng)絡服務和數(shù)據(jù)庫為支撐，采用B/S架構(gòu)和CAD/CAE軟件接口相結(jié)合的方式對材料數(shù)據(jù)進行管理和應用，相關(guān)人員可通過瀏覽器對材料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行訪問進而對材料數(shù)據(jù)進行管理，CAD/CAE軟件接口方便了設計人員直接調(diào)用工程材料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中相關(guān)的材料數(shù)據(jù)。

圖3 復合材料信息的表達Fig.3 Definition of material information in composites part

圖4 材料庫功能模型Fig.4 Function model of material library

2 材料庫基礎數(shù)據(jù)的建立

以《工程材料實用手冊》為藍本，建立材料基礎數(shù)據(jù)庫。針對材料的牌號和種類繁多、性能數(shù)據(jù)復雜多樣的特點，統(tǒng)一定義材料的分類，采用配置的方式定義材料的基本信息屬性和性能數(shù)據(jù)屬性，實現(xiàn)屬性定義的靈活性和擴展性。材料分類可根據(jù)材料屬性對材料種類進行集中統(tǒng)一定義；品種及代號、供應制造狀態(tài)、供應熱處理狀態(tài)、材料標準信息管理能夠?qū)ο鄳牟牧蠈傩赃M行管理，以供材料標準庫和材料實例庫引用，單位庫中定義的單位能夠直接被數(shù)據(jù)項所引用；供應商管理和應用單位管理可以對材料的供應商和應用單位進行統(tǒng)一集中的管理。材料庫為型號材料數(shù)據(jù)的標準化管理以及型號研制過程中的結(jié)構(gòu)設計、強度計算分析、試驗、技術(shù)狀態(tài)管理提供單一材料數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)以型號為中心的材料選用控制和管理；并與企業(yè)現(xiàn)有的CAD、CAE系統(tǒng)進行綜合集成，在各種應用中快速調(diào)用材料數(shù)據(jù)。

材料信息的集成應用

1 材料信息在MBD模型中的應用

材料應用主要包括型號管理、材料查詢、材料對比以及CAD/CAE軟件接口。型號管理以型號研制的材料數(shù)據(jù)應用為主線，在型號管理中按型號列出材料的使用情況，描述材料選用的經(jīng)驗和方法，實現(xiàn)型號研制的材料數(shù)據(jù)的應用管理，積累和重用型號材料應用知識；材料查詢功能提供多種形式的數(shù)據(jù)查詢和檢索功能，工程師基于Web端使用瀏覽器翻閱材料規(guī)范，查看材料的性能、價格及使用經(jīng)驗數(shù)據(jù)；材料對比功能以直觀的方式顯示材料性能數(shù)據(jù)的差異；在CATIA/VPM軟件中內(nèi)嵌MBD建模規(guī)范，工程師在CAD中直接選用材料，系統(tǒng)自動按照MBD建模規(guī)范進行材料屬性信息的添加和組織，通過材料庫和CATIA/VPM接口實現(xiàn)材料庫中材料信息直接調(diào)用到MBD模型中。

2 材料信息在CAE軟件的應用

在飛機設計過程會大量使用CAE（NASTRAN、PATRAN、ANSYS等）工具，在結(jié)構(gòu)設計和型號產(chǎn)品仿真時，會用到工程材料物理或化學方面的性參數(shù)，為了確保工程材料的正確性、標準性和及時性，設計仿真人員必須首先和標準化人員進行溝通，由標準化人員給出材料參數(shù)標準和具體的參數(shù)值或范圍，由設計仿真人員手工錄入到設計仿真模型中，在這個過程中，由于快速迭代的需要，可能要多次迭代過程，這意味著每一次迭代都要手工輸入工程材料數(shù)據(jù)，這種做法產(chǎn)生了幾個嚴重的問題：（ 1）工程材料的標準由標準化人員來確認、給出，由設計仿真人員手工輸入，可能存在工程材料不及時、不正確、不準確的現(xiàn)象；（2）事后無法與具體的標準實時對接，仍需要手工對接，費時、耗力；（3）手工輸入太麻煩，工作量較大。因此，可以定義規(guī)范的數(shù)據(jù)格式，建立CAD與CAE能夠識別的材料數(shù)據(jù)的接口，通過材料庫輸出CAE工具軟件所需的材料數(shù)據(jù)，在從CAE軟件接口將工程材料標準數(shù)據(jù)引入CAE工具軟件中，既實現(xiàn)了工程材料的統(tǒng)一性、標準性，又能共享、復用標準材料，降低CAD/CAE中工程材料的錯誤。設計仿真模型里的工程材料與材料標準數(shù)據(jù)來自于同一個數(shù)據(jù)源，二者建立關(guān)聯(lián)，既可以實現(xiàn)更新，又可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和追溯。如圖5所示，建立材料庫與PATRAN的材料數(shù)據(jù)定義原理與數(shù)據(jù)導出導入原理，在材料庫管理及應用系統(tǒng)中開發(fā)PATRAN材料數(shù)據(jù)導出接口，通過該數(shù)據(jù)接口進行材料數(shù)據(jù)的更新和下載，CAE工程師將從材料數(shù)據(jù)庫生成的文件導入到CAE軟件開展計算工作，從根本上保證材料數(shù)據(jù)的一致性。

3 材料信息在制造部門的應用

材料信息的粒度化為制造部門使用材料信息帶來了便利，設計不需要向制造單部門發(fā)放EBOM。通過在VPM中建立屬性映射機制，將MBD模型結(jié)構(gòu)樹中粒度化的材料信息與VPM中模型屬性信息建立一一對應關(guān)系，在模型存儲時直接存儲在數(shù)據(jù)庫中。在與供應商間的數(shù)據(jù)傳遞時，以規(guī)范的.XML文件格式建立數(shù)據(jù)包，這種格式化的數(shù)據(jù)可以再次被導入到供應商的系統(tǒng)中，供制造部門使用。制造部門可根據(jù)MBD模型中的信息或VPM系統(tǒng)中的屬性信息，按MBOM格式直接通過使能工具實時提取屬性信息自動化生成MBOM。同樣通過對工藝MBD模型和制造MBD 模型的粒度化改造，并在產(chǎn)品生命周期管理軟件（Product Lifecycle Management, PLM）中實現(xiàn)基于MBD 模型的設計、工藝與制造協(xié)同、集成、信息對比和差異分析，將關(guān)聯(lián)化的數(shù)據(jù)進行數(shù)字化提取來滿足生產(chǎn)管理和適航取證需要，既提高了效率，又保證了數(shù)據(jù)的正確性。

圖5 材料庫與CAE軟件的材料數(shù)據(jù)定義與導出原理Fig.5 Importing and exporting model of material information between material library and CAE software

結(jié)束語

本文從材料信息在MBD模型中的表達方式入手，對金屬材料、非金屬材料、復合材料零件對材料信息需求進行分析，結(jié)合CATIA模型的不同建模方法給出了材料信息的定義方式，并從管理及工程應用兩個維度開展基于全生命周期的材料庫管理及應用系統(tǒng)建設，力圖通過數(shù)字化方式加強設計階段的選材控制，并將模型中的材料信息粒度化，根據(jù)不同的使用需求，通過數(shù)據(jù)重構(gòu)提取設計和制造所需的材料信息，從而達到對材料信息在全生命周期的集成應用，充分挖掘MBD技術(shù)的內(nèi)涵與潛力來促進飛機數(shù)字化研制水平的提高。

參 考 文 獻

[1]周秋忠，范玉青. MBD 技術(shù)在飛機制造中的應用[J].航空維修與工程，2008(3)：55-57.ZHOU Qiuzhong, FAN Yuqing. Application of MBD on air plane manufacturing[J]. Aviation Maintenance and Engineering, 2008(3)： 55-57.

[2]盧鵠，韓爽，范玉青.基于模型的數(shù)字化定義技術(shù)[J]. 航空制造技術(shù)，2008(3): 78-81.LU Hu,HAN Shuang, FAN YuQing.Model based digital definition technology[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2008(3)：78-81.

[3]王宏，于勇，印璞，等．基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的MBD數(shù)據(jù)集定義研究與實現(xiàn)[J].北京航空航天大學學報，2015，41(12): 2377-2383.WANG Hong, YU Yong, YIN Pu, et al.Research and implementation of MBD data set definition based on association rules[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2015,41(12):2377-2383.

[4]曲直，田憲偉，李春威.MBD技術(shù)在飛機設計中的應用[J].航空制造技術(shù)，2015(12):2377-2383.QU Zhi，TIAN Xianwei, LI Chunwei.Application of MBD technology in aircraft design[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2015(12):2377-2383.

[5]田憲偉.基于MBD的數(shù)字化設計基礎資源庫應用探索[J].航空制造技術(shù)，2016(13)：58-62.TIAN Xianwei. Discussion about application of MBD resource library for digital design[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2016(13)：58-62.

[6]田憲偉.基于MBD的構(gòu)型管理在飛機研制中的研究與應用[J].航空制造技術(shù)，2015(S2)：7-11.TIAN Xianwei. Research and application of configuration management based on MBD in aircraft development[J]. Aeronautical Manufacturing Technology，2015(S2)：7-11.

[7]趙鳴，王細洋.基于體分解的MBD工序模型快速生成方法[J].計算機集成制造系統(tǒng)， 2014,20(8):1843-1850.ZHAO Ming,WANG Xiyang. Rapid generation Method of MBD process model based on volume decomposition[J].Computer Integrated Manufacturing Systems， 2014,20(8):1843-1850.

[8]莫蓉.MBD技術(shù)應用中的若干問題思考[J].航空制造技術(shù),2015(18):26-29.MO Rong. Reflection on problem in MBD technology application [J]. Aeronautical Manufacturing Technology,2015(18):26-29.

[9]賈曉亮.關(guān)于MBD技術(shù)在我國航空制造企業(yè)應用的幾點思考[J].航空制造技術(shù)，2013(3)：50-54.JIA Xiaoliang. Thinking about application of MBD technology in Chinese aeronautic manufacturing enterprises[J]. Aeronautical Manufacturing Technology，2013(3)：50-54.