我國(guó)飛機(jī)研制數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用，一直以來(lái)都在跟蹤、研究、學(xué)習(xí)、借鑒世界先進(jìn)飛機(jī)制造公司，特別是波音公司的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。波音公司作為飛機(jī)數(shù)字化研制技術(shù)應(yīng)用的成功代表，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)研制全生命周期的數(shù)字化。波音數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用以波音777和787的研制為代表。20世紀(jì)90年代初期，波音在777的研制中全面應(yīng)用三維設(shè)計(jì)技術(shù)；2004年啟動(dòng)的波音787項(xiàng)目在777基礎(chǔ)上應(yīng)用基于MBD技術(shù)的全三維設(shè)計(jì)，同時(shí)由于設(shè)計(jì)手段變化帶來(lái)的管理模式的變化，PLM技術(shù)也得到廣泛和深入的應(yīng)用。1989年波音公司的工程師們就經(jīng)過(guò)研究確信，利用數(shù)字化預(yù)裝配將有效減少設(shè)計(jì)更改、錯(cuò)誤和返工，使零件易于裝配，減少零件間干涉、配合面不協(xié)調(diào)、孔軸線對(duì)不準(zhǔn)等現(xiàn)象，將會(huì)大幅度降低產(chǎn)品成本，縮短研制周期，進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)水平，并在波音777的研制中取得全面成功。在波音787研制中，波音公司進(jìn)一步應(yīng)用了PLM的全球協(xié)同環(huán)境（GCE），使得波音787的協(xié)同研制工作順利進(jìn)行，為波音取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

    與波音相比，我國(guó)三維設(shè)計(jì)的規(guī)模化應(yīng)用，始于20世紀(jì)末期啟動(dòng)的新飛豹研制，與波音777研制三維設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用相差10年。新飛豹設(shè)計(jì)全面采用三維設(shè)計(jì)技術(shù)，進(jìn)行零組件的三維建模、全機(jī)電子樣機(jī)的構(gòu)建、空間和位置協(xié)調(diào)、干涉和協(xié)調(diào)性檢查。新飛豹全機(jī)電子樣機(jī)是國(guó)內(nèi)第一架全機(jī)電子樣機(jī)，也是首次用電子樣機(jī)替代物理樣機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，用數(shù)字量代替模擬量進(jìn)行設(shè)計(jì)信息的傳遞。三維設(shè)計(jì)技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用及其所帶來(lái)的效果，加速了我國(guó)航空工業(yè)數(shù)字化技術(shù)推進(jìn)和應(yīng)用的步伐，也使上至管理人員下至設(shè)計(jì)人員親身經(jīng)歷和感受數(shù)字化技術(shù)對(duì)型號(hào)研制的作用。2008年，在重點(diǎn)型號(hào)研制中，一飛院和行業(yè)主要飛機(jī)制造商，全面深入開(kāi)展基于MBD技術(shù)的全三維設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用，同時(shí)構(gòu)建了支持跨地域多廠所的重點(diǎn)型號(hào)協(xié)同研制環(huán)境（DCE），有力支持了重點(diǎn)型號(hào)的研制，與波音相差4年的全三維設(shè)計(jì)及其協(xié)同研制技術(shù)的應(yīng)用大大加快了型號(hào)研制效率和質(zhì)量。

    所以，無(wú)論是國(guó)外還是國(guó)內(nèi)，三維設(shè)計(jì)技術(shù)在推動(dòng)飛機(jī)數(shù)字化研制技術(shù)的全面應(yīng)用方面起到了非常重要的作用。

全三維設(shè)計(jì)技術(shù)

    由于受多種條件限制，近百年來(lái)，在工程應(yīng)用領(lǐng)域，人們一直以藍(lán)圖的形式表達(dá)設(shè)計(jì)和制造意圖。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是CAD技術(shù)的發(fā)展，回歸三維設(shè)計(jì)成為可能。盡管二維設(shè)計(jì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造方面發(fā)揮了不可低估的作用，但在復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，特別是飛機(jī)產(chǎn)品研制中，還需要建立不同材質(zhì)和不同復(fù)雜程度的物理樣機(jī)，用于設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)，增加了研制經(jīng)費(fèi)，延長(zhǎng)了研制周期。這是因?yàn)槎�維設(shè)計(jì)不僅不直觀，而且不能精確定義復(fù)雜形面的零件，具有信息重復(fù)轉(zhuǎn)換、協(xié)調(diào)過(guò)程困難、信息傳遞不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)，也不利于后續(xù)數(shù)字化制造。為了解決設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)問(wèn)題，進(jìn)行產(chǎn)品裝配分析和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析，使用CAD技術(shù)建立的飛機(jī)產(chǎn)品幾何樣機(jī)大大加快了協(xié)調(diào)效率，在飛機(jī)研制中，甚至取消或部分取消了物理樣機(jī)，充分展示了數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的能力和作用。但為了支持制造，還需要把三維模型轉(zhuǎn)換為二維圖樣提交制造使用，這帶來(lái)了新的問(wèn)題，主要表現(xiàn)在增加了設(shè)計(jì)的工作量、存在多種數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)更改控制復(fù)雜，既要保持二維研制體系，又要兼顧三維模型，二維研制模式和三維研制模式時(shí)常發(fā)生沖突。

    現(xiàn)實(shí)矛盾和沖突，使不得不考慮使用新的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖表達(dá)的唯一性和一致性。實(shí)際上，1997年，美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)ASME 就開(kāi)始了全三維設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究制定工作，并于2003年頒布了“Y14.41（Digital Product Definition Dat aPractices）”標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)把三維模型和尺寸公差及制造要求統(tǒng)一在一個(gè)模型中表達(dá)。后來(lái)波音公司研究探討全三維設(shè)計(jì)的工程應(yīng)用問(wèn)題，并在波音787的研制中得到工程化應(yīng)用。在我國(guó)，為了解決二維圖樣和三維模型共存帶來(lái)的問(wèn)題，徹底改變基于模擬量傳遞的傳統(tǒng)飛機(jī)研制模式，從而推動(dòng)數(shù)字化技術(shù)體系全面、深入和高效的應(yīng)用，以重點(diǎn)型號(hào)研制為載體，大規(guī)模開(kāi)展全三維設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，并逐步完善建立了面向制造的全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)體系。

圖1 全三維設(shè)計(jì)零件模型

    MBD技術(shù)基于特征的定義，具有更強(qiáng)的表現(xiàn)力，能夠更真實(shí)地表現(xiàn)設(shè)計(jì)制造特征，更好、更準(zhǔn)確地表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，也容易進(jìn)行工程信息的抽取和知識(shí)的挖掘（圖2）。

圖2 零件特征定義

    通常，對(duì)全三維設(shè)計(jì)模型或MBD模型所包含的信息定義為幾何模型信息（外形和尺寸）和非幾何信息（屬性和要求），見(jiàn)圖3。但由于設(shè)計(jì)模式（從二維到三維）的變化和設(shè)計(jì)手段（從模擬到數(shù)字）的變化，全三維設(shè)計(jì)更應(yīng)著重其體系的建設(shè)和應(yīng)用，因此全三維設(shè)計(jì)不但要將產(chǎn)品的相關(guān)信息，包括幾何模型、尺寸及公差、制造要求等，以及屬性和管理等非幾何信息定義在模型當(dāng)中，還需要與產(chǎn)品管理系統(tǒng)集成應(yīng)用，在各種設(shè)計(jì)資源和知識(shí)庫(kù)的支持下，通過(guò)使能工具和手段，實(shí)現(xiàn)零件的快速建模，并能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和工裝設(shè)計(jì)等信息共享，支持飛機(jī)研制階段的數(shù)字化制造。

圖3 MBD模型信息組成

全三維設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)設(shè)計(jì)手段和模式的變革

    全三維設(shè)計(jì)不但表現(xiàn)為設(shè)計(jì)工具的改變（三維CAD軟件的使用，如CATIA V5），更重要的是要建立基于全三維設(shè)計(jì)全新的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，因此，全三維設(shè)計(jì)是一種全新的飛機(jī)研制模式。

    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，首先編寫(xiě)了BDS-600系列規(guī)范，共計(jì)23種，專(zhuān)門(mén)針對(duì)全三維設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，包括基于模型的定義總體要求、模型的標(biāo)識(shí)要求、機(jī)械零件加工要求、復(fù)合材料建模要求等。一飛院重點(diǎn)型號(hào)研制，建立了設(shè)計(jì)規(guī)范18份，工藝工裝設(shè)計(jì)規(guī)范70多份，充分考慮產(chǎn)品研制過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)的要求，形成基于三維模型定義設(shè)計(jì)信息、工藝信息、檢驗(yàn)信息、制造信息等融為一體的標(biāo)準(zhǔn)體系。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范涵蓋飛機(jī)設(shè)計(jì)的各類(lèi)零部件，包括機(jī)加、鈑金、復(fù)材、管路、電氣等零部件，同時(shí)應(yīng)考慮飛機(jī)研制過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括設(shè)計(jì)、工藝、檢驗(yàn)及制造，例如尺寸和公差標(biāo)注方法、剖視圖生成技術(shù)方法、加工要求標(biāo)注方法、特征視圖捕獲創(chuàng)建與管理技術(shù)方法、關(guān)鍵特征的標(biāo)注方法、采用零件模型進(jìn)行三維裝配模型的標(biāo)注技術(shù)方法等。

    全三維技術(shù)實(shí)施后，原有基于兩維的工藝體系和檢驗(yàn)體系不再適應(yīng)新技術(shù)要求，必須進(jìn)行相應(yīng)改革。工藝設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)設(shè)計(jì)將不再通過(guò)兩維圖紙作為設(shè)計(jì)依據(jù)，而必須通過(guò)三維模型來(lái)獲得。因此，必須對(duì)現(xiàn)有的工藝設(shè)計(jì)流程、工藝設(shè)計(jì)方法、工藝設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)，必須使相關(guān)部門(mén)人員( 如工藝、檢驗(yàn)、路線分工、調(diào)度計(jì)劃、加工人員等) 能夠有能力獲得和使用從MBD數(shù)模中導(dǎo)出的信息，并確保該信息在生產(chǎn)流程中的一致性和正確性。同時(shí)，由于全三維數(shù)模為數(shù)字化加工提供了有利條件，更多的零部件將采用數(shù)字化的方法進(jìn)行加工制造和檢驗(yàn)，將會(huì)有更多的基于全三維的工藝指令來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)加工，例如裝配的三維工藝過(guò)程將通過(guò)三維視頻來(lái)實(shí)現(xiàn)等。因此全三維研制將改變現(xiàn)行的工藝體系、檢驗(yàn)體系、人員組織體系及能力體系、制造加工方法等。一句話(huà)，全三維設(shè)計(jì)改變了原有的基于二維圖樣的飛機(jī)研制方法和模式，形成了新的研制技術(shù)體系。

全三維設(shè)計(jì)引起飛機(jī)制造模式的改變

    MBD模型的建立，不僅僅是設(shè)計(jì)部門(mén)的任務(wù)，工藝、工裝、檢驗(yàn)都要參與到設(shè)計(jì)過(guò)程中。這就必然影響后期飛機(jī)的加工、制造和裝配，波音的MBD應(yīng)用支撐體系就可說(shuō)明這一點(diǎn)，見(jiàn)圖4。波音的MBD技術(shù)體系以MBD數(shù)據(jù)集為核心，借助集成產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)管理系統(tǒng)（IPSM）、工藝設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)、CAD系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等，按照設(shè)計(jì)系統(tǒng)給出的內(nèi)容組織框架實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、檢驗(yàn)等。

圖4 波音MBD應(yīng)用體系

    全三維設(shè)計(jì)使得下游制造仿真更加方便快捷，工藝工裝設(shè)計(jì)部門(mén)可以直接利用設(shè)計(jì)模型進(jìn)行制造和裝配工藝仿真，生成指導(dǎo)工人加工裝配的三維數(shù)字化指令。同時(shí)，全三維研制不僅體現(xiàn)在設(shè)計(jì)制造信息的載體全部以三維模型進(jìn)行承載，更重要的是會(huì)帶來(lái)制造裝備體系的不斷發(fā)展創(chuàng)新，將會(huì)有更多的數(shù)字化設(shè)備直接利用各類(lèi)零部件的三維模型數(shù)據(jù)來(lái)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的零部件加工、生產(chǎn)用工裝制造、飛機(jī)的裝配等，充分體現(xiàn)數(shù)字化技術(shù)對(duì)技術(shù)革新的推動(dòng)。由于數(shù)字化的設(shè)備直接使用數(shù)字化模型進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，不再有傳統(tǒng)的模擬量傳遞環(huán)節(jié)，消除了形狀和尺寸的傳遞誤差，這將極大保證飛機(jī)研制的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)研制的精品工程。事實(shí)也是如此，重點(diǎn)型號(hào)研制大量采用了數(shù)控加工及成形技術(shù)、先進(jìn)裝配技術(shù)、鈑金及復(fù)合材料成形技術(shù)、數(shù)字化測(cè)量技術(shù)等，取得了顯著效果（圖5）。

圖5 數(shù)字化檢驗(yàn)

全三維設(shè)計(jì)促進(jìn)PLM技術(shù)的應(yīng)用

    在采用全三維數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行型號(hào)研制過(guò)程中，數(shù)字化應(yīng)用平臺(tái)的建立至關(guān)重要�？梢哉f(shuō)，它是承載全三維數(shù)字化研制體系的載體。在全三維研制模式下，所有的零部件將以三維模型進(jìn)行描述，不再有可以通過(guò)手工進(jìn)行工程管理的圖紙出現(xiàn)。這就需要建立滿(mǎn)足設(shè)計(jì)、制造過(guò)程需求的全生命周期數(shù)字化應(yīng)用及管理平臺(tái)，以支持零部件數(shù)據(jù)的管理、版本的控制、更改的控制、設(shè)計(jì)過(guò)程控制、生產(chǎn)過(guò)程控制、飛機(jī)狀態(tài)控制等。同時(shí)，從設(shè)計(jì)到制造的數(shù)字化應(yīng)用平臺(tái)必須從業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)唯一性、流程控制等形成一體化的體系。這就對(duì)數(shù)字化應(yīng)用平臺(tái)提出了前所未有的更高要求，從設(shè)計(jì)到制造的各類(lèi)數(shù)字化平臺(tái)（例如數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)、工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)、生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)、企業(yè)資源管理系統(tǒng)等）必須進(jìn)行一體化應(yīng)用集成、數(shù)據(jù)集成和流程集成，保證型號(hào)研制各類(lèi)業(yè)務(wù)的連續(xù)性和數(shù)據(jù)應(yīng)用的準(zhǔn)確性；數(shù)據(jù)的源頭必須以三維模型為唯一依據(jù)，所有的工程信息、BOM信息均應(yīng)從三維模型中提取，并與數(shù)字化應(yīng)用平臺(tái)中的管理信息保持一致；飛機(jī)的全機(jī)狀態(tài)、零部件的三維模型版本、各類(lèi)更改、各類(lèi)質(zhì)量問(wèn)題控制單、零部件的數(shù)控加工指令、成品及相關(guān)軟件等的狀態(tài)必須保持一致，狀態(tài)管理已成為各類(lèi)信息管理的靈魂�？梢哉f(shuō)，今天的數(shù)字化應(yīng)用平臺(tái)的建設(shè)，必須真正體現(xiàn)PLM的概念，也只有通過(guò)采用PLM的理念進(jìn)行數(shù)字化應(yīng)用平臺(tái)建設(shè)，才能真正滿(mǎn)足全三維研制的需求。

    國(guó)外實(shí)力雄厚的軟件系統(tǒng)公司一直致力于全三維設(shè)計(jì)工具及其面向全生命周期的產(chǎn)品研發(fā)支持集成系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，比較成熟的有法國(guó)達(dá)索公司的PLM 2.0，該集成系統(tǒng)通過(guò)SIMULIA、CATIA、DELIMIA等工具支持方案設(shè)計(jì)的流程控制、仿真優(yōu)化、系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)，零組件詳細(xì)設(shè)計(jì)、制造工藝設(shè)計(jì)等，通過(guò)ENOVIA實(shí)現(xiàn)全生命周期數(shù)據(jù)和流程管理、并行協(xié)同設(shè)計(jì)等。

結(jié)束語(yǔ)

    縱觀全球著名飛機(jī)公司的發(fā)展，全三維數(shù)字化技術(shù)在近幾年各類(lèi)飛機(jī)的研制中得到迅速發(fā)展和深入應(yīng)用，已成為企業(yè)發(fā)展、流程優(yōu)化、技術(shù)進(jìn)步、核心能力提升的核心引擎。全三維設(shè)計(jì)技術(shù)推動(dòng)了飛機(jī)數(shù)字化研制技術(shù)的全面應(yīng)用。其作用主要表現(xiàn)在：（1）應(yīng)用效果明顯，增強(qiáng)了企業(yè)數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用的信心。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，在重點(diǎn)型號(hào)研制中全三維設(shè)計(jì)技術(shù)使得設(shè)計(jì)效率至少提高40%，在全三維設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)使得設(shè)計(jì)迭代速度至少提高70%。由于采用全三維研制技術(shù)體系，使得機(jī)加零件數(shù)控加工率達(dá)到94%以上，數(shù)控彎管率達(dá)到100%，零件和工裝數(shù)量之比率也大大降低�？梢哉f(shuō)，如果沒(méi)有數(shù)字化技術(shù)的支撐，很難保證重點(diǎn)型號(hào)按節(jié)點(diǎn)要求研制。（2）全三維設(shè)計(jì)技術(shù)的規(guī)�；瘧�(yīng)用形成了數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用的環(huán)境和文化氛圍。正如波音總結(jié)的那樣，在推廣全三維設(shè)計(jì)技術(shù)的過(guò)程中，碰到的不僅僅是技術(shù)問(wèn)題，還需要把企業(yè)從二維圖紙文化中解放出來(lái)。今天航空工業(yè)集團(tuán)已經(jīng)把數(shù)字化建設(shè)提升到全局高度，采取了數(shù)字化達(dá)標(biāo)等手段，全面提升行業(yè)數(shù)字化綜合應(yīng)用水平。（3）為數(shù)字化技術(shù)的深入應(yīng)用提供了動(dòng)力。當(dāng)前在全三維研制基礎(chǔ)之上，航空工業(yè)正在全面開(kāi)展性能樣機(jī)技術(shù)的知識(shí)工程技術(shù)等方面的研究和應(yīng)用。（4）數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要技術(shù)與工程融合，在實(shí)施數(shù)字化項(xiàng)目過(guò)程中，需要有相應(yīng)的方法論，要以型號(hào)研制為牽引，逐步推進(jìn)、不斷擴(kuò)大應(yīng)用范圍、提高應(yīng)用水平。

    可以預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)，在全三維設(shè)計(jì)技術(shù)帶動(dòng)下，涵蓋飛機(jī)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、協(xié)同研制和用戶(hù)服務(wù)的全生命周期數(shù)字化集成系統(tǒng)將會(huì)誕生并得到全面應(yīng)用，離世界先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用水平的差距也會(huì)越來(lái)越小。

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本文標(biāo)題：三維設(shè)計(jì)推動(dòng)飛機(jī)數(shù)字化研制技術(shù)的全面應(yīng)用

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