基于全三维设计的航空紧固件信息表达

郭建烨，辛宇娟，屈力刚，杨野光

（沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室， 沈阳 110136）

计算机技术的发展，使得三维模型更具表现力。20世纪80年代，三维技术已应用于发达国家的产品设计和生产中。21世纪初，电子样机技术的规模化应用取得了显著效益。基于CAD的虚拟样机技术，提高了设计协调性，设计意图通过三维模型进行协调和匹配性检查、运动机构仿真、分析仿真，实现了所见即所得，降低劳动强度、提高设计质量、减少设计返工，实现100%的三维建模和100%的数字化虚拟装配。但是，以三维为手段的飞机产品研制模式，并没因其诸多优势很快替代传统的以二维图纸为手段的研制模式[1]。因为大多数企业或者公司对MBD技术的理解，只是说把二维纸质上的产品各方面信息，照模照样搬到数字化的三维模型中，不能达到使其设计信息数字化程度变高[2]。因为没有对零散的产品相关信息进行归纳和整理，就会出现数据冗余，实用性不强，这样就使得后面对产品制造和加工的工人很难读取必要的信息，造成产品周期加长，降低生产效率[3-6]。

基于MBD的全三维设计，MBD模型包括飞机功能/性能模型、空间几何模型、制造工艺模型、支持维护模型[7]。MBD涵盖了产品设计、制造、维护整个生命周期，其中面向设计和制造的空间模型是MBD的基础[8]。因此，通常意义上的全三维设计通常是面向制造的三维模型的建立和应用。占飞机整体零件数量半数以上的紧固件，其生产制造已自成规模。设计人员主要考虑的问题不是紧固件生产制造问题，而是紧固件快速选型以及装配问题[9]。设计人员综合考虑零部件位置、载荷要求、变形程度等因素，在遵循各类紧固件选用规则的要求下，手工查阅三四百页的紧固件手册，确定紧固件规格型号；在对应的飞机零部件模型中，采用“点线” 表达紧固件，使紧固件与飞机零部件形成统一整体。汇总紧固件规格、数量，输出采购清单，交付采购部门。最终，装配人员根据其设计意愿完成紧固件装配工作。

1 航空紧固件的3D点线表达

紧固件尺寸小，数量庞大，采用传统的基于MBD的三维模型来表达紧固件，对电脑硬件有很高要求，费时费力；并且各个航空企业针对自身研发的机型，都有自成系统的一套紧固件手册，紧固件数据不一致导致模型通用性较差、建模成本高[10]；其次，相对于飞机零部件而言，紧固件尺寸过小，紧固件三维模型的建立并不会使其对于装配人员更直观、准确。紧固件种类多样、数据繁琐，设计人员手工查阅方式效率低且准确率难以保证；设计人员主要确定紧固件几何信息，非几何信息的表达（如装配技术要求、开口销类型、润滑、热处理、表面处理等）对装配过程也有重要影响。针对航空紧固件设计、装配存在的问题，决定规范化紧固件信息表达。

基于MBD的三维模型信息分为：几何信息、非几何信息。在遵循MBD信息集成化的原则下，采用“3D点线”方式表示航空紧固件。其中，点的物理属性代表紧固件的安装位置；直线的物理属性包括长度，代表紧固安装前/安装后的轴向尺寸；方向代表紧固件的安装方向。图1表示基于MBD的紧固件信息分类。图2为紧固件3D点线表达示意图。Catia软件环境下紧固件3D点线表达如图3所示。

2 基于“夹持组”的紧固件信息管理

“点线”方式是针对单个紧固件的信息表达方式。面对同一机型研制过程中数以万计的紧固件，需建立一种宏观角度上更为合理的紧固件管理方式。利用Catia的.CATPart文件实现紧固件相关信息的存储；根据Catia特征树的理念，确定以“夹持组”为基础进行紧固件信息的分类管理。 CATPart文件特征树逻辑结构如图4所示。其中，重要节点介绍如下：

图1 紧固件信息分类Fig.1 Classification of fasteners information

图2 紧固件3D点线表达示意图Fig.2 Schematic diagram of 3D point-line expression for fastener

图3 Catia软件环境下紧固件的3D点线表达Fig.3 3D point-line expression for fastener under Catia

（1）建模过程：存储紧固件选用过程中产生的一些中间结果，例如最后夹持面、对称面等；

图4 紧固件.CATPart文件特征树逻辑结构Fig.4 Logical structure of characteristic tree

（2）标准件及钉孔点：.CATPart文件的固有节点，该节点为存储紧固件信息的根节点；可扩展出多个夹持组子节点。

（3）夹持组：紧固件作为夹持件，明确表达其装配特征需定义被夹持件信息，因此将用户选用的两个或者两个以上的被夹持件定义为夹持组。夹持组的主要节点为点线集；同一夹持组内可扩展多个点线集子节点。

（4）点线集：点线集是存储紧固件几何信息、管理信息的最小单元。紧固件存在主辅对应关系，以螺栓为例，螺栓与螺母、垫圈配套使用，只有当主辅紧固件规格型号完全确定，整个选用过程才算结束。主辅紧固件形成的集合代表该安装点所对应的一套紧固件信息；同一夹持组内，只有主辅紧固件信息完全相同的安装点，才会被放在同一点线集内。点线集的子节点包括：安装点，属性为几何图形集，可扩展多个“点X”子节点；矢量线，属性为几何图形集，可扩展多个“直线X”子节点；标准件：属性为参数集，包含一套紧固件信息。同一点线集下的安装点、矢量线、紧固件数量保持一致性。

3 开发工具及相应功能点

紧固件信息表达涉及了“PartDesign”、“Assembly”、“Knowledge”等模块，各模块之间相互关联、相互渗透，应用Catia自身CAA函数和API函数接口，完成紧固件信息的完整表达[11]。

特征树结构清晰、逻辑分明，通过函数SetSpecAttr可将紧固件的名称、标记示例、部分参数设置为特征树相应节点的隐藏属性。

4 实例验证与结论

Catia环境下二次开发菜单如图5所示。图6、图7分别为夹持组创建窗体、紧固件创建窗体。紧固件选择如图8所示。图9为紧固件信息管理界面。基于MBD的航空紧固件3D点线表达方式简练清晰；基于“夹持组”为基础的特征树结构逻辑分明，信息表达较为全面，推进了航空领域全三维设计进程。

图5 Catia环境二次开发菜单Fig.5 Secondary development menu based on Catia

图6 创建夹持组窗体Fig.6 Form for creating clip group

图7 创建紧固件窗体Fig.7 Form for creating fasteners

图8 紧固件选择窗体Fig.8 Form for fastener selection

图9 紧固件信息管理Fig.9 Fastener information management

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