航空工程与维修
A VIATION ENGINEERING & MAINTENANCE
1999年 第3期 No.3　1999



基于CATIA系统的数字化预装配技术在飞机结构设计中的应用
程凯
Application of CATIA－based DPA in Airplane Structure Design
　　分析了当前DPA技术应用于现代飞机结构设计中存在的缺陷，并结合实例提出，当DPA应用于飞机结构设计中时，应充分体现面向装配、自顶向下以及数据共享的设计思想。
引言
　　数字化预装配（Digital Pre－Assembly，简称DPA）是现代集成制造系统（CIMS）、敏捷制造（Agile Manufacturing）和虚拟制造(Virtual Manufacturing)的重要组成部分。在我国，DPA技术虽然起步较晚，但是其应用研究工作得到了迅猛的发展。其中，以CATIA系统为应用平台的DPA技术在航空设计、制造领域得到了广泛的应用。目前，将DPA技术应用于飞机结构设计普遍采用应用三维实体模型装配取代物理装配，实现降低产品制造成本目的的方法。该方法在DPA技术应用初期，曾经取得一定的效果，但是，在面向集成化、并行化的现代飞机结构设计中却存在以下的缺陷：
　　（1）无法实现数据共享
　　飞机结构设计仍然延续传统的设计进程，飞机结构零部件模型只能在飞机的总体布置、飞机结构零部件的打样设计、甚至飞机结构设计发图完成之后进行，零部件设计参数在实体模型建立之前基本完成。在模型设计中，各个模型之间无法实现彼此的设计数据共享。
　　（2）模型间无任何的连接约束关系
　　飞机结构零部件三维实体模型的装配仅仅是通过坐标变换，将各自独立设计完成的零部件实体模型"MERGE"（结合）的过程。飞机零部件实体模型之间无任何的关联和连接约束关系。
　　（3）设计更改的一致性和修改的完整性难以保证
　　由于实体模型装配是在零部件实体模型完全建立之后进行的，对于飞机结构这样一个具有复杂协调关系的多模型装配结构，当出现不协调情况（如结构干涉等），需要进行结构设计更改，尤其是设计的基础模型更改时，就会造成大批的零部件模型设计更改甚至返工，很难保证飞机结构设计更改的一致性和修改的完整性。
　　为此，本文结合实例对DPA技术在飞机结构设计中的具体应用方法与实施途径进行了初步探讨。
DPA应用研究的新途径
1.特点
　　较之以往三维数字化技术在飞机结构设计中的应用情况,本文论述的DPA技术应用的新途径具有以下特点：
　　（1）在飞机零部件设计中体现出面向物理装配的设计（Assembly Oriented Product Design)思想。
　　（2）实现飞机结构零部件模型设计数据共享，它是实现DPA的基础。
　　（3）DPA应用的各个阶段，零部件模型间均建立了合理的"约束"关联。在飞机结构的总体设计阶段，模型间依据各自的几何特性，建立了初始的关联；在飞机结构的装配设计阶段、完善设计阶段，模型间依据相互之间的"约束"连接关系，建立了合理的装配关联，保证了DPA应用全过程中，各模型间合理的装配设计关系。
　　（4）实现飞机零部件模型分阶段的多次装配设计，减少了由于飞机零部件模型一次建模，一次装配可能造成飞机结构设计大量返工的可能性，同时，也可以保证飞机结构设计更改的一致性和修改的完整性。
　　（5）体现自顶向下的设计思想，实现设计要求和设计信息从上向下传递。
2.基本内容
　　由于DPA技术在应用过程中，飞机零部件模型间数据传递是并行的、动态的、交互的，为了便于了解飞机结构设计中DPA的应用情况，在只考虑模型的建立以及装配关系情况下，可以将DPA在飞机结构设计中的应用过程划分为总体设计阶段、装配设计阶段和完善设计阶段。相对应的设计模型分别为总体设计模型、装配设计模型和完善设计模型。
　　(1)总体设计阶段
　　根据飞机总体性能要求，在飞机气动外形确定之后，依据飞机设计的基准面（机翼弦平面，机身框平面等）以及飞机结构，系统主要零部件的几何特性进行初始建模，并对满足工作要求的多种基本模型方案进行分析比较，确定出最终总体方案的设计过程。其中，几何特性是用来描述实体模型几何元素之间的直接的相互关系，比如直线对齐（共线），直线垂直，典型曲面贴合，垂直等类型，通过定义零部件模型之间的这些几何关系，可以表达飞机结构零部件模型的空间位置关系。这意味着飞机结构各个主要模型之间的初始关联关系在总体设计阶段就会自动生成。
　　图1为某型飞机方向舵在DPA应用过程中的总体设计阶段模型，依据梁、肋、隔板等零部件的几何特性，建立总体设计模型。在总体设计阶段可以很直观地建立总体设计模型，能较大程度缩短总体设计时间，并可在很大程度上避免总体方案设计阶段可能出现的错误。

图1方向舵总体设计模型
　　(2)装配设计阶段
　　装配设计阶段是在总体设计阶段的基础上，对初始的总体设计模型具体化；拟定飞机结构每个装配单元中各个层次的零部件模型；具体确定各个零部件模型设计参数；定义零部件之间装配约束；进行初步的干涉检查。
　　装配设计的目标是在面向飞机结构装配的层次上建立零部件模型，实现的关键是装配关系的表达处理，下面重点说明在飞机结构设计中的主要装配设计关系。
　　.模型初始约束的继承
　　装配设计阶段是在总体设计阶段的基础上进行的，体现在具体的装配关系上，就是继承模型在总体设计阶段建立的初始约束（即主要零部件模型间的几何关系），并在具体模型设计中蕴藏在各个模型内，即在飞机结构零部件模型具体装配约束建立之前保证模型间的几何特性不变，这样就可以实现继承模型间的初始约束关系。
　　.装配单元的确定
　　在飞机结构设计过程中，涉及的零部件数以万计，需要建立的零部件模型数量庞大，整个飞机结构零部件模型在一个模型空间中体现，几乎是不可能的。为此，我们在应用CATIA系统进行飞机结构模型装配设计时，采用了按设计区域划分装配单元的方法。装配单元的划分采用了以下基本原则：
　　以飞机结构设计分离面为基准；
　　对于装配复杂的结构单元，可以以工艺分离面为进一步细化的基准；
　　对于尺寸较大的零件，可以由DPA工程师确定其结构单元的划分基准，并在装配模型中明确标注断开几何模型的装配界面。
　　.装配层次
　　飞机结构是由具有层次关系的零部件组成的复杂系统。体现在飞机结构中，一个部件可以分解为若干零件和子部件，一个子部件又可以分解为若干更下一层的零件和子部件。体现在飞机结构模型设计中，就是一个自上向下的设计过程。在方向舵结构设计应用研究中，通过分级式树状图层结构方式即按零部件间设计的逻辑依附关系来确定各模型间的父子关系，从而实现装配设计层次的划分，事实上无论是自顶向下的装配设计，还是“装配树”的应用，都是非常必要的。这样，不仅使飞机结构装配设计过程变得便捷、清晰，同时确保了零部件装配模型之间以及三维实体模型和由其产生的二维图之间的关联性和一致性。
　　.装配约束管理
　　装配约束（constraint）管理对结构设计中几何模型间的关系进行控制和管理，它能确保设计的模型具有正确的飞机设计工程师所定义的关系，如平行，共轴或共面等。通过约束管理，可实现在飞机结构设计或飞机改进、改型设计等重复过程中，零部件模型中特定的装配关系或约束得以保存，而与对模型所进行的修改无关。表1给出了CATIA系统中对零部件模型装配约束关系的规定。
表1装配约束规定

＊SP标识平面类曲面间约束＊AL标识共轴约束
＊SC标识圆柱类曲面间约束＊AD标识同心约束
＊SO标识圆台类曲面间约束＊OOP标识曲面偏置约束（方向相反）
＊AP标识共面约束＊OSP标识曲面偏置约束（方向相同）
＊SS标识球面类曲面间约束＊DP标识平面与平面类曲面约束

　　.初步的干涉检查
　　装配设计完成后，需要进行初步的干涉检查，实现的方法是：对装配设计中的零部件模型进行布尔求交运算，若有交集存在，则说明零部件模型间存在干涉，所设计零部件不能可靠装配，必须依照零部件干涉的部位和程度修改原设计。
　　图2所示的为某型飞机方向舵装配设计模型，它是在总体设计模型的基础上，通过建立装配约束关系，细化模型设计，进行初步的干涉检查等过程建立的。

图2方向舵装配设计模型
　　(3)完善设计阶段
　　完善设计阶段是在装配设计阶段的基础上，对飞机结构具体的零件模型进行细化、完善，完成模型的最终设计，并作进一步的模型干涉分析检查，确保飞机结构零部件模型干涉自由。完善设计阶段主要包括以下内容：
　　.继承装配设计阶段中，零部件模型间已经确定的装配约束属性；
　　.在装配设计阶段基础上，完善设计阶段对零件模型按有关设计规范进行细化，定出零件的每个尺寸；
　　.当飞机结构零件设计完成后，即要进行全机零部件模型具体的干涉分析检查，确保全机零件干涉自由。
　　图3所示的为某型飞机方向舵完善设计模型，该模型给出了方向舵结构所有零件模型的全部尺寸，为方向舵设计的最终模型。

图3 方向舵完善设计模型
结束语
　　虽然基于CATIA系统进行的DPA应用研究才刚刚开始，但我们相信，自顶向下的设计方法与以模型数据共享为DPA应用核心，面向装配的设计思想，将会对应用DPA进行飞机结构设计的工程师提供新的设计思路和应用途径。
作者单位：西安飞机设计研究所
