0 引言

    航空發動機產品研制涉及學科種類多，設計／工程技術要求高，部件／系統間協調關系復雜，整機綜合匹配困難，是一項繁雜的綜合類系統工程。而結構設計是研制過程中一個非常重要的環節，要綜合氣動、流體、傳熱、材料、工藝、強度、振動、裝配、使用和維修等諸方面的問題，還要考慮實際制造與使用的具體條件，并結合國內外航空發動機的使用經驗，通過權衡，得出適用的設計。

    傳統的發動機結構設計從方案設計到工程設計，再到生產制造，均通過繪制二維圖來表達產品的幾何輪廓、尺寸、公差和工藝制造要求，存在錯誤表達和被錯誤理解的風險。為了解決這個問題，工程領域發展了全三維數字化技術，其典型特征是基于模型的定義(Model Based Definition，簡稱MBD)，用三維實體模型代替二維圖形表達產品定義信息，即用三維實體模型直接定義最終的三維產品，從而避免了通過二維圖和文字來重構三維產品模型呵能帶來的理解和表達偏差，使得三維模型成為產品整個研制過程中的唯一數據源。

    目前，國外MBD技術的應用已經比較成熟，如波音公司在以波音-787為代表的新型客機研制過程中，全面采用了MBD技術，將三維產品制造信息與三維設計信息共同定義到產品的三維模型中，摒棄二維圖樣，并將MBD模型作為制造的唯一依據。國內航空業也開始研究MBD技術，并嘗試應用于產品設計、制造的各個環節。

    隨著MBD技術不斷發展完善，航空發動機的設計方法也在不斷地發展、進步。針對航空發動機結構設計中部件與部件間、部件與系統間、零件與零件間存在大量的幾何及非幾何的關聯關系這一特點，嘗試通過數字化設計技術建立、控制和傳遞這種關聯影響關系，從而實現上下游設計信息的快速傳遞，以及更好地開展多專業、多部門間協同并行設計，縮短產品研制周期以及提高產品質量和生產效率。

    本文對MBD技術、關聯設計技術、協同設計以及MBD關聯設計在航空發動機結構協同設計中的應用進行了探索與研究。

    1 MBD技術概述

    1.1 MBD技術的定義

    MBD技術是一種新的產品數字化定義技術，是指用集成的三維實體模型來完整表達產品定義信息的方法。該技術是將原來定義在二維圖紙上的幾何結構設計信息、生產工藝制造信息和產品屬性管理信息，共同集成定義在三維數字化模型中。改變了傳統的：：維圖紙定義產品的輪廓、尺寸、公差及工藝信息，或者：二維圖紙為主輔以三維模型的方法，同時使制造單位以三維數字化模型為依據，開展工藝、制造、裝配、檢測、服務等工作，實現設計、工藝、制造、檢測等的高度集成，有效地解決了設計、制造、使用維護一體化的難題，消除了傳統研發模式中三維模型與二維圖紙之間的信息沖突，減少了創建、存儲和追蹤的數據量，保證了產品制造信息的準確性、唯一性、快速性，從而有效縮短了產品研制周期，提高了產品質量和生產效率。

    1.2 MBD技術的應用

    2003年7月，美國機械工程師協會發布了關于三維模型標注信息內容的標準(ASMEY14.41)，用以解決圖紙與信息系統傳輸之間的矛盾。隨后，波音公司率先在787項目中開始推廣使用MBD技術，使得項目的整個研制周期縮短約30%，提高了研制效率。MBD技術的應用同時減少了物理樣機的制造及由二維圖紙不精確造成的理解偏差，整合了設計、制造等方面的流程，相應節約了成本并提高了產品質量。

    同樣地，國外其他公司如R&R也開始逐步應用MBD技術，即在產品研發中，以具有PMI(Product Manufacturing Information，產品制造信息)三維標注的模型作為唯一數據源，保證了產品制造信息的準確、快速傳遞。

    2008年以來，國內航空業開始逐步引入MBD技術，在多型號研制中開展了試點應用與實踐，并取得了顯著成效。在航空發動機領域，形成了基于UG的MBD三維標注規范，用于指導行業內航空發動機的全三維數字化設計。

    雖然MBD技術在國內已經具有了一定的應用基礎，但相對國外企業，其綜合應用水平及能力仍然存在較大的差距，尤其是在航空發動機方面，MBD技術仍未在型號研制中全面覆蓋并應用，具體表現為：

    (1)全三維數字化模型未落實并貫穿于整個產品制造過程始終，仍需二維圖紙進行輔助支撐：

    (2)三維數字化設計制造一體化集成應用體系尚未貫通；

    (3)基于全三維數字化模型的設計、制造、裝配、維護和管理體系尚未建立：

    (4)并行協同研制中的信息共享與流程控制尚未規范；

    (5)三維標注信息規范有待完善。

    1.3 全三維數字化模型信息表達方法

    與飛機主要使用CATIA建模環境不同，航空發動機全三維數字化設計主要基于UGNX環境，其完整的數據集主要包括三維模型、PMI標注信息和屬性管理信息等。

    三維模型包括控制幾何體、輔助幾何體和模型幾何體。控制幾何體是上下游模型中有關聯關系的幾何元素，這些元素可以是坐標系，也可以是點、線、面、曲面等內容，是建立下游模型的基礎控制條件，驅動相關聯模型的更改：輔助幾何體不是必要的制造工藝信息，而是建模過程中的輔助信息，即在控制幾何信息與零件幾何信息的基礎上構建模型所需的幾何數據：模型幾何體是描述最終實體零件的模型幾何體，包括模型中一系列的幾何特征。

    PMI標注信息為產品制造信息，包括尺寸與公差配合要求、形位公差要求、基準與粗糙度要求、其他注釋信息和技術條件等。

    屬性管理信息包括發動機研制型號，零件的名稱、編號、重量、材料等信息。

    2 關聯設計方法概述

    2.1 關聯設計技術的定義

    隨著MBD技術的發展，三維模型的快速創建及上下游模型設計信息的準確傳遞成為了發動機結構設計過程中另一至關重要的因素。

    航空發動機結構復雜，部件與部件間、零件與零件間存在人量幾何關聯關系，往往一個模型的變更，牽連到周圍數個模型的變更，單一的模型參數化定義無法滿足因設計過程迭代引起的關聯結構變更需求，為此MBD的關聯設計技術應運而生。

    關聯設計(Relational Design)是通過建立一種特殊形式的參數化模型，即控制模型(Control Model)來實現上游設計對下游設計的關聯影響，控制模型不是產品制造的必要信息，僅是為快速而準確地傳遞上游控制要求，建立的一種關于上下游設計輸入與輸出的影響、控制和約束關系。

    控制模型可以是坐標系，可以足點、線、面、曲面等幾何元素，可以足從實體上抽取的點、邊、面等拓撲元素，也可以是實體。

    2.2 關聯設計方法

    關聯設計方法是一種參數化設計技術，通過控制模型來定義一個模型和另一個模型之間的關聯關系。通過對航空發動機總體、部件、系統進行分析，總結和梳理出各自部分之間的相互關聯影響關系，將對這些關聯關系起決定性作用的幾何元素定義為控制元素。對于產品控制模型而言，要定義產品的總體架構和部件（系統）的接口。接口是起控制作用的幾何元素的集合，是上游設計活動控制下游設計活動的手段：架構為按不同研制階段總體、部件、系統定義的具有聯系的接口的集合，這些集合具有層次關系。航空發動機結構設計過程中典型的控制模型關系如圖2所示。

    在航空發動機產品項目型號的DBOM (Design BOM)根目錄下建立總體的控制模型，該模型下包含了總體專業在設計過程中將要用到的各部件（系統）相關的所有關鍵設計輸入控制元素（包括關鍵的坐標系、界面或界面接口）。部件控制模型首先關聯引用總體專業規定的控制元素，在此基礎上增加部件內部控制元素，具體的零件或模塊設計則通過引用部件控制元素開展詳細設計，完成最終的產品定義。

2.3 關聯設計技術的作用

    航空發動機結構復雜、零件多、系統多，設計和制造難度高。在設計過程中，結構設計人員需要大量協調溝通，反復迭代，不斷完善設計方案。同時，好的結構設計需要綜合考慮材料、工藝，并能滿足發動機苛刻的熱負荷和壓力負荷的工作環境，因而需要結構設計人員和氣動傳熱、強度分析、材料、工藝等多專業間的反復迭代與協調。

    傳統設計過程中，上下游設計的影響關系一般通過間接的方式傳遞，如發送內部通知單、技術協調單等，或通過共享數據模型，信息傳遞時間和路徑長，容易產生信息傳遞遺漏與錯誤。

    在全三維數字化模型中，通過定義發動機結構設計中總體層級、部件層級的接口控制模型，可實現總體與各部件及系統、各部件及系統內部設計關聯和信息共享，加快協調和更改的速度。

    由于MBD數據集可以包含設計、工藝、制造、檢驗等各方面信息，且數據源唯一，上下游相關人員基于一個數據模型開展工作，方便了后續的制造及數字化裝配設計，可以使得設計生產制造數據保持一致。全三維模型直觀，更容易理解，減少了信息傳遞遺漏和人為判別錯誤的風險。

    當控制模型中界面間的控制要求發生變更時，設計更改可以自動流轉到下游，模型自動更新更改，可實現設計過程快速迭代，減少設計錯誤，極大地縮短研制周期，提高產品設計質量。

    3 MBD關聯設計技術在航空發動機結構協同設計中的應用

    3.1 協同設計的定義與作用

    MBD技術能夠基于唯一數據源更加準確地表達設計意圖，而關聯技術則能更加快速地傳遞更改信息，減少迭代，以二者技術為基礎而建立的關聯協同設計環境，能夠全面有效地組織、應用和管理全三維模型數據，便于設計內部、設計制造等并行開展工作，因此，數字化系統及數字化協同管理系統目前已被航空發動機各設計研制單位及制造單位重點關注。

    通常把通過交流、協調完成各自的設計工作過程稱為協同設計。將用于協同設計的工具集成為一個系統，稱為協同設計系統，通過這種統一的平臺開展設計工作，可以減少由多企業、多專業、多個技術人員等帶來的因溝通不暢或者文件版本不統一導致的錯、漏等問題，使得整個研制價值鏈能夠無縫、安全地共享知識和信息，創建、積累并重用各個產品系列的最佳實踐等內容，同時由于可以通過協同并行開展設計、工藝等工作，相應整合、規范與精簡了設計流程和制造流程，減少了規劃與準備時間，提高了全生命周期的設計效率與生產管理效率，對設計項目的進度管理、人員負荷管理、審批流程管理、模型管理、構型管理等規范化管理亦具有極大的促進作用。

    3.2 關聯設計在航空發動機結構協同設計中的應用

    下面以總體、風扇增壓級部件方案設計階段的結構協同設計為例，來說明關聯設計技術在航空發動機結構協同設計中的應用，基本過程如下：

    (1)在方案設計的開始，總體結構專業進行發動機的頂層結構設計，以便各部件及系統在同一環境下進行協同和關聯設計。首先總體結構設計者建立并發布整機控制模型，包括定義整機坐標系和各部件坐標系，定義各部件氣動界面及接口，在此基礎上進行總體結構初步方案設計，建立航空發動機總體方案初步布局模型，包括風扇增壓級、壓氣機、燃燒室、渦輪等初步模型。模型建立關聯控制在整機控制模型的控制元素要求下，如圖3所示。

    (2)根據整機初步模型進一步細化整機控制模型，并在總體專業內部迭代完善后通過協同設計平臺再次發布，供部件及系統結構等專業關聯引用。部件及系統結構專業根據總體結構專業發布的控制模型開始進行方案階段部件及系統結構控制模型及模型的建立，如風扇增壓級中控制模型的建立，首先關聯引入總體結構控制模型中的部件坐標系、風扇機匣前后端面、中介機匣前后端面、流道控制面等控制元素要求，同時新增建立葉片型面為控制元素。風扇增壓級方案模型關聯引用控制元素要求，使多個設計者在同一部件控制模型要求下，參考初步模型，進一步建立風扇機匣、中介機匣、帽罩、流道板等方案模型，最終完成風扇增壓級方案階段模型的設計。風扇機匣方案模型的建立如圖4所示。

    (3)當控制模型發生變更時，關聯的模型自動更新，具體過程如圖5、圖6所示，當控制模型中尺寸1由239變更為242時，風扇軸模型尺寸2無需修改，自動更新為242。 

    4 結語

    本文通過分析MBD技術及關聯技術在發動機結構沒計中的表述方法，對航空發動機結構協同設計中的MBD關聯設計技術的應用進行了初步探討。由于MBD關聯協同設計技術可以通過唯一數據源，使上下游信息及時快速而準確地傳遞，從根本上促進設計質量與效率的提高，縮短產品的研制周期，因此MBD關聯設計技術的應用將為航空發動機產品研制帶來巨大收益。