基于三维设计环境下某型教练机管路系统设计技术

张石英

（中航工业洪都，江西南昌330024）

0 引言

随着计算机信息技术的飞速发展和我国飞机制造业数字化并行工程应用工作的开展，数字化设计技术在飞机研制中的应用有了突飞猛进的发展。全面采用数字化设计技术已经成为目前大部分制造企业，特别是军工制造业解决传统飞机研制模式不足的重要手段之一。在此大环境影响下，飞机管路系统数字化设计也成了飞机数字化设计的关键环节。

飞机管路零件的制造技术水平的提高也对管路系统设计不断提出新的需求。近几年来，国内外均提出用数字量即CATIA三维数模替代模拟量的重要性。过去导管设计与制造之间主要采用模拟量实样进行传递,严重影响信息传递精度和效率,采用导管三维建模可以极大的提高导管的设计速度、信息传递精度和效率,进而提高导管零件的成形质量和设计制造效率[1]。数字量的CATIA模型代替传统的标准实样，实现了产品设计、仿真优化、成形制造、检验全过程的数字化信息传递[2]。以模线、样板等模拟量为制造依据的协调方式不再能完全满足现代飞机的研制要求，以数字量为制造依据的协调方式逐渐成为现代飞机研制的主流。在此情况下，飞机管路的三维数字化设计技术已成为现代飞机协同研制工作不可缺少的一部分。

本文针对飞机管路系统设计技术的应用情况，提出了管路数字化设计技术应用方案，阐述了实现飞机管路系统数字化设计的技术方法，对推进导管设计的全数字化有重要意义，也为后续机型管路系统的数字化设计工作的顺利开展起到指导和实施的作用。

1 飞机管路数字化设计技术应用分析

1.1 国内外飞机管路数字化设计技术应用现状

1986年，美国波音公司开始采用三维数字化设计技术对747-400液压管路系统进行设计。作为世界上第一个采用全数字化定义和无图纸生产技术的大型飞机项目，波音777飞机开发、研制、制造、一次试飞成功的根本途径就是采用了数字化设计技术[3]。

近年来，国内飞机导管数字化制造技术发展迅速，面向制造导管三维快速建模、导管数控弯曲过程建模与有限元仿真技术在各大飞机制造厂开始应用，配合现有的数控弯管机、激光矢量测量机，不仅大大缩短了工艺准备时间，还优化了工艺参数，提高了产品质量。上海飞机设计研究院在新支线飞机ARJ21的研制过程中，全机设计100%采用三维数字化定义和数字化样机，导管以三维数模发放。成都飞机制造厂在某运输机研制过程中，导管以三维数模为依据，直接将CATIA产品数模转换为工艺数模，生成机床数控代码，实现了数控弯管和激光测量检验，导管零件全部合格交付。

管路系统的数字化设计在缩短产品研制周期、实现飞机数字化设计全过程方面已经成了不可忽略的一个关键要素之一。

1.2 传统的导管制造模式分析

在飞机导管制造方面，传统的导管制造通常采用“先取样后生产”的模式，用实样作为制造依据。导管设计的实样采用二维图纸，仅仅划出示意图，无空间走向。制造部门通过取样制造夹具后进行导管生产，存在诸多的问题。比如：

1）实样取制周期长，劳动强度大；

2）实样传递制造依据，无法保证质量；

3）反复取样，返修夹具，生产被动，管理不便；

4）无法满足现代飞机CAD/CAM数字化制造的需求。

针对传统导管制造方法存在的问题，为了缩短设计周期，提高数控弯管机的利用率，提高生产效率，导管的数字化制造对设计部门提出了新的需求即管路系统的数字化设计。唯有从制造导管的源头出发，而制造导管的数据信息源头就是导管零件，它为后续的模具设计、弯曲工艺分析、成形过程的分析与数值模拟等工作提供了基本信息源。因此采用导管零件的三维数字化设计建模，改变信息流的传递方式由原来的模拟量转变为数字量信息传递，可有效解决上述问题。

2 飞机管路系统设计技术应用方案

2.1 飞机管路系统设计概况

飞机管路系统作为传输能量工作介质的工作单元，敷设在全机各个部位，是飞机产品中不可缺少的部分，主要包括液压系统、燃油系统、氧气系统、空调系统、航空仪表管路等等。其工作环境比较严酷，高温区、高振动区、外露部位均有。有些导管还需经常拆卸。随着飞机飞行速度的不断提高，飞机高度的增加，将导致管路内的工作介质压力提高，流量增大及工作温度上升。这一切的因素都将给管路系统数字化设计带来一定的难度。

2.2 背景分析

从设计角度考虑，为了缩短设计周期，飞机研制采用三维数字化设计手段建立电子样机，采用数字化并行工程。在此形势下，飞机管路系统设计需要从技术上进行改进。

从制造角度考虑，传统的导管建模方式采用UG软件通过创建关键点构造曲线，再以曲线为轴线用TUBE命令做出导管。而传统的导管制造方式是靠模线样板来手工制造，这种设计方式是可以的。但是应用数控弯管机后，由于数控弯管机只能加工直线和圆弧的导管，生产制造部门在使用数控弯管机加工生产数控弯管时，这种只凭借样条曲线已经不能满足工艺部门采集数据、数控弯管成形的要求。由此对管路的设计方式提出了新的要求。

2.3 管路数字化设计技术应用方案

要实现管路系统的数字化设计，首先需要解决管路设计环境的问题。其次考虑的是实现管路数字化设计的技术途径问题。一方面要淘汰传统的导管实物取样环节，实现模拟量向数字量的转换；另一方面遵循飞机协同设计的思想，在保证产品质量的前提下，缩短飞机研制周期。因此设计环境采用CATIA软件和VPM系统平台，质量控制方面以CATIA后台参照行业标准和企业规范开发定制的环境作约束，以CATIA三维建模技术为基础，通过干涉检查、装配仿真等手段保证管路系统的设计质量，最终实现飞机管路系统数字化设计，满足现代飞机全机数字化设计研制的要求。

3 管路数字化设计的技术方法

管路的数字化设计不仅便于电子样机中成附件、结构件及系统导管之间的协调，也为制造部门进行数据采集、数控弯管成形提供可靠的、最优的数据源。因此在设计前既要照顾到行业标准、企业规范以及管路设计原则的执行，还需要考虑到工艺制造资源的要求，比如数控弯管机弯曲模弯曲半径的种类，优先设计数控弯管机能够弯制的管路。因此，数字化设计工作要围绕如下几方面展开。

1）飞机管路系统导管规格各异，管路设计过程中如何保证设计的管路数据符合现有企业标准、规范和需求；

2）从制造角度考虑，如何保证下游工艺部门从管路数模中提取到最合理的数据，保证导管的可制造性和可利用率；

3）从并行设计方面，如何保持这些复杂的导管零件能够快速接收到上游数据更改通知并能够在保证不受影响的零件无变化的基础上自动更新；

4）如何保证管路系统与结构之间、管路系统与管路系统以及管路系统内部不发生干涉并满足间隙的要求；

5）如何验证发放给下游的导管零件设计的合理性，并保证装配的可达性以及可维护性。

3.1 管路数字化设计环境定制

在飞机管路系统设计过程中，规则和标准的辅助决策功能保证了管路设计结果的工程合理性。

CATIA管路设计模块作为一个通用模块，没有遵循管路零件建模的行业标准也没有一定的企业标准做约束。因此设计时无法调用国内企业相关标准的管路标准件，导管公称直径、转弯半径、导管端头形式以及材料等属性也无法满足国内企业的设计要求。因而管路数字化环境客户化定制已成为管路数字化设计工作展开的前提。

CATIA管路模块中的受控参数文件信息存放在后缀为catalog的标准和规则库文件中，不同的库文件存放着不同的属性信息，如管路的弯曲半径、公称直径、端口形式、壁厚及材料类别等见图1。每一类属性信息都关联了不同参数信息的txt文本文件。比如定制管路的弯曲半径，参照飞机管路设计要求并结合数控弯管机现有弯曲模弯曲半径，修改TubingSpecificationsMM.catalog文件中控制弯曲半径的脚本文件，实现不同参数的控制见图2。

图1 库文件

图2 转弯半径控制窗口

3.2 导管实现数字量转换的技术途径

导管进行三维建模时，应优先考虑到导管零件制造和管路工艺的实施。导管零件制造工艺要求是基于导管制造资源的限制，为了保证导管的可加工性和导管加工质量而提出的，这些参数主要包括导管直线段长度、弯曲半径、导管弯曲数量等。

导管的建模方式很多，需要进行规范化建模，才能为下游工艺部门提供合理、有效的数据源。数控弯管机只能加工直线和圆弧组成的导管，规定的导管坐标有3个，分别为X、Y、Z，分别代表导管的直线段长度、平面转角即弯曲角度以及空间转角见表1。传统的建模方式无法提取到这些数据信息，已经完全不符合工艺制造的要求。

表1 数控弯管数据

按照企业标准规范需求进行客户化定制后的CATIA管路设计模块符合制造部门的要求。在导管零件建模过程中，定义了导管的公称直径、弯曲半径、直线段长度以及空间坐标等信息见图3，这些信息可以直接以报表的形式从CATIA中导出，符合数控弯管机所需要的条件，从技术上满足了目前传统的模拟量向数字量转变的需求。

图3 导管三维建模界面

3.3 关联设计思想在数字化设计中的应用

飞机设计过程是一个不断更改和迭代的过程，上游设计的更改往往会引起下游设计的更改。传统的管路设计过程中，由于设计操作都在本地进行，这种上下游设计的影响关系往往通过间接的方式进行传递，如通过协调单告知，通过共享数据模型，或者用电话进行沟通和协调；在更改的过程中，通过元素的替换等方法实现。有时结构件有了相当的改动，可能导致管路设计的零件完全无法使用。这种工作方式导致了设计更改的信息不能及时传递到下游，人工控制更改操作麻烦，且容易发生数据版本的不一致性。

在飞机数字化协同设计大环境的引导下，管路系统采用了基于骨架模型的关联设计方法。在构型管理和工程更改控制下，统一管理飞机产品结构树，共享一个骨架模型，实现管路系统不同专业设计员之间的协同设计，结构零件的更新会通过骨架模型的传递带动当前管路设计中加载的数模进行更新，可以随时了解自己与其他系统之间是否存在干涉现象，及时修改管路的排布。

管路系统采用骨架模型的关联设计流程如下：

骨架模型采用树形结构，总体部门和结构部门按产品结构的组织发布成附件、设备及管路安装定位基准，如定位点和定位轴线等。

系统部门负责人参照上游发出的数据，直接复制上游发布的元素，复制连接结果 （paste result with link）到管路骨架中，创建各分系统的骨架模型，建立管路与结构的关联关系。系统部门管路设计人员参照各分系统的管路骨架模型，安装成附件、设备及支架，依据设备及支架进行管线铺设见图4。

图4 结构与管路的关联设计

3.4 数字化设计检查工具的应用

3.4.1 管路系统的干涉检查与区域分析

目前导管两端采用的连接方式是由平管嘴和外套螺母组成的扩口连接方式，根据要求导管与连接件之间需贴合，管路系统因其功能以及传送介质的不同，与飞机机体各部段要保持间隙也有所不同。通过选择飞机管路系统或某一功能区域的数据，对管路及其周围结构等数据进行干涉检查和区域分析，确定发生干涉区域并对问题区域加以注释，提前暴露问题使得设计更改工作执行起来更加方便，因此静态干涉检查与区域分析审查尤为重要。

1）干涉检查

利用CATIA的Clash功能，结合数字样机环境对管路零件、成附件、支架以及设备等管路系统内部、管路系统与结构以及系统与系统之间进行干涉、间隙以及贴合信息的检查，分析产品之间空间距离检查以及指定一定的余量，分析各个产品在该距离之内的干涉情况。

当系统发现存在干涉情况或者间隙不满足设定条件时予以报警，并分别显示出碰撞、接触以及间隙低于规定值的数量，并标示出干涉区域和干涉量，以帮助设计人员查找和分析干涉原因（见图5）。

2）干涉分析

管路系统设计需避免干涉，干涉主要分以下3种情况：

（1）软干涉，2个零件没有接触，但其最小距离小于预先规定的间隙范围；

（2）硬干涉，2个零件重叠在一起发生相交现象；

（3）包容干涉，1个零件完全包容在另1个零件的内部。

在管路系统的所选部件的干涉检查中，干涉数目中包含导管与周围环境的接触干涉，此类干涉不可避免，通过结果栏显示值可迅速分析装配的干涉程度，以避免不必要的干涉。

通过这种干涉分析，可以提早发现问题并进行修正，有效地减少后期因设计错误引起的更改，从而提高飞机质量，降低成本。

图5 某液压系统自身干涉检查示意图

3.4.2 区域分析检查

在装配环境中，为了保证设计的精准度，CATIA的电子样机空间分析模块进行距离计算、自定义区域分析以及实时剖切检查，测量两个零件之间的最小距离或者计算并显示两个零件给定的区域之间的部分，比如检测管路的可拆卸性，工具焊接、扳手拧紧等操作维修工具的可达性等等（见图6）。

图6 导管与设备距离检查示意图

3.4.3 干涉检查工作开展方式

干涉检查建议按照专业室内 (即管路系统内部)检查——专业室间(即管路系统与周围结构等)分级展开检查。专业室内各负责人按照职责检查自己所设计范围内即系统内部的管路设计干涉情况。

专业室检查，考虑到管路的分布广以及硬件设备性能的因素，建议干涉检查和分析时，可以打破专业和系统的界限，按区段进行干涉检查，检查系统间以及系统与周围结构的干涉情况（见图7），提高干涉检查的效率和质量，以避免因空间不足导致导管无法安装。可将检查结果中确实需要更改的问题以标注的方式，圈出干涉部位，并辅以文字描述。

图7 某液压系统与结构等区域检查示意图

3.5 数字化设计装配仿真技术的应用

导管安装部位空间有限，导管布置错综复杂。部分导管需要穿过多层结构，装配过程复杂，在飞机管路设计过程早期需要使用飞机结构、管路、成品附件三维模型进行导管装配过程的三维动态仿真，通过模拟装配仿真和干涉分析等动态仿真分析进行多次协调，以优化和完善管路的设计过程。

利用管路系统资源在CATIA的DMU装配仿真环境，定义、模拟和分析管路系统的装配过程和拆卸过程，通过这种真实地模拟飞机管路系统的装配过程，检验导管是否有安装通路，明确空间是否满足装配要求。也验证了管路维护操作的可行性（安装、拆卸）及管路设计的合理性。通过导管的运动轨迹验证导管安装操作中人或工具的可达性。在数据发放前发现并解决管路设计以及后期实际装配过程中的问题，从而实现管路系统的优化设计和变更，避免后期因设计原因产生的更改。有效地提高产品质量、降低产品研制风险、缩短装配周期、降低研制成本。

4 应用效果

目前，这种飞机管路系统数字化设计技术已经在某型教练机中得到了广泛的应用。在某型教练机以及后续改进机型的研制中，采用了三维数字化设计技术进行飞机管路系统的设计、工艺设计和生产制造，并完成了样机协调。

某教练机以及后续机型应用三维数字化设计技术完成飞机管路系统的设计，不仅实现了飞机全机电子样机的数字化设计，而且通过使用三维数字模型代替实物模型，实现了设计数模与工艺数模一体化。提高了飞机管路系统设计的效率，缩短了飞机研制周期。与传统设计方式相比，飞机全机管路系统的数字化设计得到了全新的变革。

5 结论与展望

某教练机管路系统采用了数字化设计方法，提高了设计效率，缩短管路系统设计周期，实现了某教练机的全机电子样机的全三维数字化设计。

但是由于设计方面导管安装接口以及其它连接件如成附件、固定支架等零件建模时存在误差，制造方面由于制造、装配时产生的误差，再加上部分设备与周围结构之间的间隙不足等因素，导致按三维数模生产的部分导管在实际装配中存在问题，这就使飞机导管制造仍不能彻底放弃取样这一传统方式。因此，要全面提高导管的利用率，实现真正意义的数字化设计与制造可能还需要很长的摸索过程。采用全机导管数字化设计是现代飞机完成全机数字化设计技术的发展方向，如何提高导管的可利用率，真正实现导管设计与制造的一体化是我们今后研究和探索的目标。

[1]李振强等.导管三维快速建模及模型预处理技术研究.制造业自动化，2007,29(3).

[2]毛燕等.数字化制造技术在ARJ21飞机导管研制中的应用.锻压技术,2008,33(4).

[3]李光俊.飞机导管数字化快速敏捷制造技术.中国制造业信息化,2009(5).