基于骨架模型的直升机关联设计方法研究

吴志鹏，靳淑娟，曾佩杰

（中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001）

直升机系统零部件密集,交联关系复杂,目前在直升机研制过程中已全面应用MBD 全三维设计技术，基于产品数据管理系统建立了单一数据源的数字样机模型，实现了产品数据设计到制造的全数字量传递和基于数字样机的并行协同研制。但是直升机并行协同过程是不断更改优化数字样机模型的过程,随着直升机从概念设计转入初步设计、详细设计等阶段，设计更改会急剧增加，数字模型内部会形成错综复杂、混合交织的网状更改影响关系[1]。然而由于数字样机模型内没有建立有效的关联，无法建立更改的自动数字量的关联传递，目前主要采用不严谨的线下人工通知来传递更改，导致研制迭代的效率低下、全机数字样机状态更新不及时，同时也无法在设计更改时快速评估更改影响性[2]。

关联设计在国外航空领域中已经大面积应用，国内尚处于起步应用阶段。主要航空院所专家学者刘俊堂、白永红、田宪伟、陈阳平等从关联设计的概念、原理和实现方法、设计制造协同关联、关联设计骨架模型定义、数字样机模型链接关系表示及求解等方向开展了关联设计技术在飞机研制中的应用探索研究[3-7]，本文主要基于法国达索VPM/CATIA 系统平台，进一步研究基于构型项的骨架模型定义管理，自顶向下的直升机关联设计方法等在直升机研制中的应用。

1 基于骨架模型的关联设计技术

关联设计是指在设计零件时可以参照其它现有零件，并在零件之间建立关联关系的一种方法。当被参照零件更改时，系统自动提示该设计零件是否需要更改，并且通过系统的自动更新功能，把上游零件的更改内容传递到下游设计零件中，大幅提高了零件设计的迭代的速度，缩短产品研发的周期[8]。

基于骨架模型的关联设计核心是要对设计对象进行分析，梳理出设计对象各部分之间的相互影响关系，并总结决定设计对象的主要因素、关联关系的接口和载体，形成骨架模型。骨架模型本身的内容可以是点、线、面、曲面等几何元素，也可以是从实体上抽取的顶点、边、面等拓扑元素[9]。骨架模型只用来作为设计员的设计参考或定位参考，而不是产品BOM的内容，并按层次进行组织，下层骨架模型参照上层骨架模型进行必要的分解。同级别的设计人员同时参照同一个骨架并行设计各自负责的零件。最终要实现上层更改引起下层必要的更改，同时不至于影响所有下游零件。

基于骨架模型的关联设计方法在直升机研制中应用主要有以下优点：

所有重要的外形、接口、参数等信息都保存在骨架模型中，确保了关键接口参数信息的集中管理[10]。在整个设计过程中，不同角色的设计人员各司其职，骨架模型可以由经验较为丰富的设计人员负责完成，并通过关联方式传递到各个设计人员进行具体设计，保证了骨架模型的设计质量，同时也提升了型号研制效率。

在骨架模型设计方法中，所有的外部参考元素都是从骨架传递过来的；所有关联都是指向同一个方向。尽可能的避免了大型产品设计中各子系统之间相互引用而导致的循环更新问题。

2 基于构型项的直升机骨架模型定义与管理

2.1 骨架模型的组织

关联设计需要充分考虑直升机产品设计自顶向下的相互参考关系，建立自顶向下的树状骨架模型树，形成产品骨架模型合理的层次关系，并制定单方向的参考引用规则，避免关联关系的相互引用导致的循环嵌套，使得骨架之间的关联关系易于控制。另外，以构型项目CI（Configuration Item）为基本单位建立自顶向下的模块化骨架，通过骨架模块化设计和模块配置管理，形成多样化的骨架系列，满足军民用各类产品的灵活多样的构型特点要求。通过对产品CI 规划和零组件设计进行清晰地界定，使开展工作的相应人员有明确的业务协调要求和责任分工。在CI 规划环境中，技术状态管理人员依据研制方案规划CI 结构树，定义产品骨架结构及相应模块，通过配置过滤产生相应的CI 树反映各类构型的产品，并将结构树的叶节点CI 传递至骨架零组件设计环境；在骨架零组件设计环境中，设计人员在传递的CI 下开展具体模块的设计活动，组织骨架零组件数据。

关联设计是一种上下文设计方式，骨架模型需要与产品结构建立在统一的上下文环境下，VPM 系统中单PRC 结构环境下的基于构型CI 的骨架组织结构示意图如图1 所示。

图1 基于构型CI 的骨架组织结构示意图

在VPM 系统中，骨架模型与产品结构通过GCO 组织在同一PRC 根节点下。骨架模型树分为两层，分别为骨架CI 层和骨架零组件层。其中骨架CI 层又分为骨架ICI（Invariable CI）不可变构型配置项和骨架VCI（Variable CI）可变构型配置项，骨架零组件层位于VCI 骨架节点之下，骨架零部件（CHDPRODUCT）下挂载具体的骨架零件（叶节点）。在骨架CI 层，技术状态管理人员依据系统规范和研制方案规划骨架CI 结构树，定义骨架结构模块，通过配置产生相应的骨架CI 树反映各类构型的骨架产品，并将结构树的叶节点VCI 权限传递至骨架零组件层；在零组件层中，骨架设计人员在传递的VCI 下开展具体模块的骨架设计活动，组织骨架零组件数据。

根据直升机研制特点，骨架模型按专业主要分为总体气动骨架、机体结构骨架、系统骨架三类。其中系统泛指液压系统、电气系统、飞控系统、传动系统等直升机系统。

总体气动骨架模型主要包括理论外形骨架模型VCI 节点、占位信息骨架模型VCI 节点及其骨架模型零件等。总体气动骨架模型是对总体气动产品模型的分解、细化，方便下游专业的引用。

机体结构骨架模型分为机体结构骨架模型（总论）和区域结构骨架模型。机体结构骨架模型（总论）引用总体发布的骨架模型，组织结构总体骨架模型零件及各区域间的接口骨架模型，区域结构骨架模型引用机体结构骨架模型（总论）发布的骨架模型进一步组织细化形成区域骨架模型零组件。

系统骨架模型参照机体结构骨架模型组织形式分为系统骨架模型（总论）和区域系统骨架模型。系统骨架模型（总论）引用结构发布的骨架模型组织系统总体骨架模型零件及各区域间的接口骨架模型，区域系统骨架模型引用系统骨架模型（总论）发布的骨架模型进一步组织细化形成区域骨架模型零组件。

2.2 骨架模型的有效性管理

技术状态管理人员通过CI 进行骨架模型的有效性管理。基于CI 的骨架模型配置规则如图2 所示，ICI 不发放不升版，VCI 发放可升版，ICI 和VCI上进行批架次有效性配置，骨架零组件继承其上级的CI 有效性，不另外设置有效性。CI 及零组件为最新版有效，并自动替换老版的有效性，老版有效性设为空。若CI 及零组件有效性发生变化，则需要通过CI/零组件换号实现，换号后的CI/零组件设置新的有效性。通过架次有效性可过滤得到不同架次的产品骨架模型，设计人员引用过滤得到的产品骨架模型开展相应架次的产品骨架设计工作，从而实现骨架模型多构型配置和快速衍生设计。

图2 基于CI 的骨架模型构型配置规则

2.3 骨架模型的更改管理

骨架模型的更改不同于设计模型的更改，骨架模型更改不仅会影响到与其关联的设计模型更新，还可能会导致下游零件的版本升版、换号、有效性变化。基于VPM的骨架模型的更改过程如图3 所示，主要包括：

图3 骨架模型更改过程

（1）根据型号研制需要，提出骨架模型的更改需求；

（2）模型更改前，需要在VPM 中对模型更改的影响性进行分析，评估更改对下游关联对象的影响程度，从而最终确定更改方案；

（3）在正式更改前，需要考虑骨架模型的状态“工作中”或者是“已发放”。

①对于工作中的骨架模型更改，可根据更改方案直接修改骨架模型，更改关系会直接传递至下游，下游受影响模型直接在上下文中进行更新同步；

②对于已冻结发放的骨架模型，则需要考虑骨架模型更改的影响，考虑是否会引起构型变化。

（4）若骨架模型的更改不会引起构型的变化，则考虑在非上下文环境中进行骨架模型换版，此时，下游无法看见换版后的高版本模型。待完成设计后，高版本骨架模型可通过“同步”操作替换上下文环境中的低版本的骨架模型，引用该骨架模型发布元素的下游设计模型可依据高版本模型进行自动更新。

（5）若骨架模型的更改会引起构型的变化，则需要通过骨架模型换号操作实现，首先创建一个游离的衍生模型，然后开展更改工作，最后将新骨架模型挂载在相应结构树中。下游受影响模型需要在同时打开上下游模型环境下进行外部引用几何元素替换更新。

3 自顶向下的直升机关联设计方法

3.1 自顶向下的直升机研制关联关系

直升机型号研发有着明显的上下游参考关系，主要遵循总体气动-结构设计-系统设计的自顶向下的设计顺序和参考顺序。

总体气动作为源头，为结构设计、系统设计提供外形、站位参考，总体气动专业形成的设计结果主要包括理论外形图、主旋翼理论外形，尾桨理论外形，总体布置图、通道与口盖布置图、三面图、交点数据图、客货仓布置图、操纵台布置图等。

机体结构是直升机主要的承载系统，主要包括前机身、中机身、过渡段、尾端等专业。结构设计主要参考来源于总体气动的外形和站位，主要是通过在设计件内引用总体气动发布元素建立关联约束关系，而非通过零件间的装配约束来传递关联关系。

系统泛指电气、飞控、液压、燃油、动力等系统，这部分系统设计主要依附于结构作为安装平台。系统设计过程中，系统与结构的关联约束形式不同，系统设计主要是通过与结构安装发布元素建立约束来建立装配关联定位。

3.2 自顶向下的直升机关联设计应用

自顶向下的直升机关联设计流程需要参考整个型号产品设计的上下游关联关系，确保关联设计的自上而下，避免产生引用闭环。如图4 所示，自顶向下的直升机关联设计遵循如下关联设计流程。

图4 自顶向下的直升机关联设计流程

（1）构型人员根据型号研制经验和特点进行粒度划分，合理定义骨架及产品CI，在单一PRC 中组织产品结构及骨架树。并将VCI 节点权限传递分配给相应专业设计人员；

（2）总体气动专业人员使用全参数创建型号总体气动主几何文件并在相应骨架CI 下统一发布总体气动骨架模型，供下游专业引用；

（3）机体结构骨架组长引用总体气动发布的骨架模型创建结构骨架模型（总论），结构分区域骨架组长进一步分解得到各区域骨架模型，并进行发布；

（4）结构设计员则引用区域骨架模型发布元素开展结构关联设计。同时提取并发布结构包络面，以便系统专业定位安装系统产品；

（5）系统骨架组长引用结构发布包络面及参数建立系统骨架模型（总论），系统分区域骨架组长进一步分解得到各区域系统骨架模型，并进行发布；

（6）系统设计员利用“装配R 模型”引用系统专业骨架模型的发布几何元素，作为接地件与系统产品进行装配设计，从而可将装配约束局限在产品模型装配节点，避免出现无法保存在VPM 中的跨CI级（系统专业骨架模型与系统产品位于不同的CI）的装配约束关系。其中装配R 模型为全三维设计模式下表达装配或安装要求的特殊模型。

4 结束语

关联设计已经广泛应用于大型产品（如航空装备）的研发过程中，并能大幅提升产品的迭代研制效率。本文基于直升机研制采用的VPM、CATIA系统环境，研究了基于构型项的直升机骨架模型定义与管理模式，通过骨架模块化设计和模块配置及更改管理，能够实现骨架模型多构型配置和快速衍生设计，满足直升机产品的灵活多样的构型要求。基于直升机研制关联关系特点，提出并建立了自顶向下的直升机关联设计方法和应用流程，为关联设计在直升机研制中的应用提供了具体的应用路径。