隨著航空制造業(yè)市場的競爭日趨激烈，產(chǎn)品研制的周期、質(zhì)量和成本等因素對飛機(jī)制造業(yè)的影響也日顯重要。而先進(jìn)的產(chǎn)品研制方法、手段以及實(shí)施途徑是產(chǎn)品研制周期、質(zhì)量和成本等方面最有力的保證。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，基于CAD/CAM系統(tǒng)的航空產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)在西方發(fā)達(dá)國家已被廣泛采用，美國波音公司波音777型飛機(jī)由于采用了該項(xiàng)新技術(shù)，研制周期縮短了50%，出錯返工率減少了 75%，成本降低了25%.

我國航空制造業(yè)各主機(jī)廠所在各自的型號研制中都不同程度地采用了數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)，取得了良好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。新型高級教練機(jī)是為滿足市場需要，由中國一航立項(xiàng)研制的重點(diǎn)型號，其主要目標(biāo)就是要在盡可能短的時間里，將飛機(jī)研制出來，迅速占領(lǐng)高級教練機(jī)的市場。為了達(dá)到目標(biāo)，貴航飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所在立項(xiàng)開始就確立了以 CATIA系統(tǒng)為平臺，采用數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)加快新型高級教練機(jī)研制的決策。

飛機(jī)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的核心就是設(shè)計(jì)研制中不再以二維圖樣進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，而是以CATIA三維實(shí)體建模為基礎(chǔ)，通過虛擬裝配技術(shù)、運(yùn)動仿真技術(shù)的運(yùn)用，完成飛機(jī)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)以及干涉檢查，并以三維數(shù)模的形式發(fā)放到工廠，用于工裝以及零部件的生產(chǎn)制造，從而在確保設(shè)計(jì)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，高效地完成產(chǎn)品的研制任務(wù)。

新型高級教練機(jī)采用的是高升阻比雙三角翼、機(jī)身兩側(cè)肋下進(jìn)氣的大長細(xì)比機(jī)身、全動平尾和垂直尾翼構(gòu)成的常規(guī)氣動布局，選裝先進(jìn)的功能系統(tǒng)和機(jī)載設(shè)備。其中前機(jī)身、機(jī)翼外形以及前機(jī)身結(jié)構(gòu)、機(jī)翼結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)為全新設(shè)計(jì)。新高教飛機(jī)前機(jī)身段設(shè)計(jì)難度大，協(xié)調(diào)極其復(fù)雜，因此前機(jī)身段的設(shè)計(jì)遵循"電子樣機(jī)"的設(shè)計(jì)理念，即:總體設(shè)計(jì)發(fā)放三維理論外形，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在此基礎(chǔ)上，根據(jù)總體布置圖，布置出機(jī)身主要承力構(gòu)件的初始模型 (承力框、縱向長析和梁等)，然后系統(tǒng)、特設(shè)進(jìn)行初步布置，形成產(chǎn)品主模型三維協(xié)調(diào)圖，并凍結(jié)狀態(tài)。然后在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和特設(shè)的具體詳細(xì)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)虛擬裝配、干涉檢查，反復(fù)協(xié)調(diào)，最終完善結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)模型發(fā)放至工廠，用于生產(chǎn)準(zhǔn)備和制造。機(jī)翼設(shè)計(jì)則以準(zhǔn)確的三維數(shù)模發(fā)放，便于零部件的數(shù)控加工從而取消機(jī)翼模線，達(dá)到減少工裝，縮短研制周期的目的。

一、數(shù)字化技術(shù)在新型 高級教練機(jī)研制中的應(yīng)用

1.全機(jī)三維外形數(shù)據(jù)的生成和外形光順

飛機(jī)三維外形設(shè)計(jì)是電子樣機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，即根據(jù)總體布局和氣動布局以及其他設(shè)計(jì)要求來確定飛機(jī)的形狀和各部件之間的相對位置。良好的氣動外形能有效地提高飛機(jī)性能，因此對新型高級教練機(jī)的外形設(shè)計(jì)采用數(shù)字化設(shè)計(jì)手段。首先利用 CAD外形設(shè)計(jì)程序，調(diào)整設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)，然后在CATIA軟件平臺上，結(jié)合輸入的設(shè)計(jì)參數(shù)，生成新型高級教練機(jī)的全機(jī)外形，仔細(xì)檢查其光順情況是否滿足飛機(jī)外形光順設(shè)計(jì)要求。若不滿足，再返回CAD外形設(shè)計(jì)程序調(diào)整設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)，并將其輸入CATIA軟件中，這樣反復(fù)疊代，最終得到滿足外形光順設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)，并在 CATIA軟件中生成三維外形數(shù)模。先后完成滿足理論外形和光順設(shè)計(jì)要求的包含機(jī)身、機(jī)翼、平尾、垂尾、機(jī)背油箱以及座艙蓋在內(nèi)的全機(jī)三維外形設(shè)計(jì)，并發(fā)放三維數(shù)模。

所構(gòu)建的全機(jī)三維外形數(shù)據(jù)已實(shí)際應(yīng)用于總體布置和協(xié)調(diào)、全機(jī)氣動力特性的分析計(jì)算、全機(jī)測力吹風(fēng)模型的制作、進(jìn)氣道性能試驗(yàn)吹風(fēng)模型的制作、測壓試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱?、結(jié)構(gòu)專業(yè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)專業(yè)(艙蓋、燃油)的系統(tǒng)(結(jié)構(gòu))設(shè)計(jì)以及xx飛機(jī)制造廠的模線設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)樣件的制造。

2.打樣與詳細(xì)設(shè)計(jì)

基于CATIA環(huán)境，根據(jù)總體發(fā)放的三維理論外形、總體布置圖以及載荷情況，構(gòu)造出機(jī)身主要承力構(gòu)件的初始模型(承力框和縱向構(gòu)件)，提供給系統(tǒng)、特設(shè)進(jìn)行初步布置，形成產(chǎn)品主模型空間協(xié)調(diào)圖。先后完成了第0框~~第14斜框前機(jī)身結(jié)構(gòu)、機(jī)翼、風(fēng)擋、座艙蓋等三維打樣模型。

在凍結(jié)的產(chǎn)品主模型空間協(xié)調(diào)圖的基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、特設(shè)詳細(xì)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)虛擬裝配、干涉和檢查;構(gòu)建了前機(jī)身0~14框結(jié)構(gòu)、機(jī)翼結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)近一萬個三維模型，進(jìn)行了九千多張A4工程圖的轉(zhuǎn)換。前機(jī)身結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)的三維數(shù)模用于結(jié)構(gòu)工程圖的發(fā)放、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的進(jìn)一步協(xié)調(diào)，零件、標(biāo)準(zhǔn)樣件、鈑金件模胎和樣板的數(shù)控加工，并且能準(zhǔn)確地給出零部件的重量和重心位置，為結(jié)構(gòu)減重設(shè)計(jì)提供了可靠的技術(shù)支持;同時，向工廠提供了需數(shù)控加工的全機(jī)所有零件三維數(shù)模和需數(shù)控加工模胎和樣板的鈑金件的三維數(shù)模，以及整個前機(jī)身段和機(jī)翼的三維數(shù)模。

數(shù)字化設(shè)計(jì)極大地提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了設(shè)計(jì)周期。在設(shè)計(jì)階段通過對零組件的虛擬裝配、干涉檢查以及總體結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)、特設(shè)件的虛擬裝配、干涉檢查，將設(shè)計(jì)中的錯誤提早發(fā)現(xiàn)，并給出改進(jìn)措施，僅總體虛擬裝配、干涉檢查就發(fā)現(xiàn)685項(xiàng)設(shè)計(jì)錯誤 。數(shù)字化樣機(jī)在設(shè)計(jì)中充分發(fā)揮了零件設(shè)計(jì)前確定邊界尺寸、設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行各相關(guān)零件協(xié)調(diào)以及設(shè)計(jì)完成后對結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、特設(shè)件進(jìn)行驗(yàn)證的功能。新型高級教練機(jī)架機(jī)的試制成功充分表明，按數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)的部件與傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)的其他部件相比較，試制中的設(shè)計(jì)錯大大大減少。

數(shù)字化樣機(jī)為實(shí)施設(shè)計(jì)制造并行工程，加快研制進(jìn)度提供了良好條件。從打樣設(shè)計(jì)一結(jié)束，各設(shè)計(jì)專業(yè)就陸續(xù)向工廠發(fā)放三維數(shù)據(jù)模型，供工廠開展生產(chǎn)工藝準(zhǔn)備。先后發(fā)放了48張光盤數(shù)據(jù)，為工廠數(shù)控加工創(chuàng)立了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，大大縮短了理論模線、結(jié)構(gòu)模線的繪制周期。對于新型高級教練機(jī)的制造，先后確定了77項(xiàng)數(shù)控加工零件、25項(xiàng)數(shù)控加工標(biāo)準(zhǔn)工裝、63項(xiàng)數(shù)控加工板金工裝，這些都必須以精確的三維模型為基礎(chǔ)。另一方面，傳統(tǒng)的按二維藍(lán)圖繪制模線方法占用人力、物力是相當(dāng)多的，周期至少一年，利用三維模型畫模線，不但工作量大大減少，而且技術(shù)難度也大幅度降低，在工廠任務(wù)緊張的情況下，某飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所協(xié)助 xx飛機(jī)制造廠承擔(dān)了全機(jī)三分之一的模線和樣板圖繪制任務(wù)，全部是利用三維數(shù)據(jù)進(jìn)行的。

3.結(jié)構(gòu)三維建模規(guī)范和技巧研究

三維建模規(guī)范是產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，要使整個設(shè)計(jì)制造團(tuán)隊(duì)能夠在計(jì)算機(jī)中查看并操作實(shí)體模型，能精確地交流設(shè)計(jì)意圖，就必須在造型時全面考慮產(chǎn)品的制造、工藝、裝配等各種信息，使零件的造型順序盡量與實(shí)際加工順序一致，特征的定義也應(yīng)與實(shí)際加工的基準(zhǔn)一致，從而使工藝設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)清晰的模型樹快速地給出零件的加工工藝。因此，造型過程中良好的構(gòu)思和建模習(xí)慣，既可提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，又可為后續(xù)的工作打下良好的基礎(chǔ)。

4.仿真技術(shù)的運(yùn)用研究

以CATIA三維設(shè)計(jì)軟件平臺為基礎(chǔ)，結(jié)合 ADMAS軟件，不僅能將飛機(jī)實(shí)體模型裝配后進(jìn)行干涉檢查，而且對于運(yùn)動構(gòu)件還可以進(jìn)行運(yùn)動仿真和分析。這比起二維圖紙上反復(fù)計(jì)算、協(xié)調(diào)，再制造實(shí)物模型進(jìn)行構(gòu)件的協(xié)調(diào)，更加直觀和簡便，并且大大提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。例如在新型高級教練機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期，通過仿真技術(shù)，發(fā)現(xiàn)總體布置中所給出的雷達(dá)艙口蓋為兩側(cè)折翻以及將蓄電瓶放置在機(jī)頭下部是不可行的，并及時反饋給總體專業(yè)，避免了重大的設(shè)計(jì)返工問題發(fā)生。

5.三維實(shí)體模型轉(zhuǎn)化成二維工程圖的技巧研究

由于受制造廠制造條件的限制，三維實(shí)體模型和二維工程圖都需要發(fā)放到工廠作為制造的依據(jù)。而由CATIA三維模型直接轉(zhuǎn)化的二維圖形反映的僅僅是三維數(shù)模在某一個面上的實(shí)際投影，很多情況下，圖形看起來非常復(fù)雜，與常規(guī)工程圖紙表示方法不符，因此必須對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模拍軡M足工程使用要求。同時生成的二維圖形一般不能直接進(jìn)行編輯。在實(shí)際的使用過程中，通常是將二維圖形與三維模型之間的聯(lián)系斷開，然后再進(jìn)行編輯。但這樣做后，一旦零件有所更改，二維圖不會隨著三維模型的更改而更新。這就使CATIA的優(yōu)點(diǎn)不能充分發(fā)揮，造成工作效率的下降。經(jīng)過不斷探索，將二維圖形與三維模型之間的聯(lián)系仍然保持，并在二維圖環(huán)境下，將需要編輯的線條用Duplicate Geometyr命令復(fù)制出來進(jìn)行修改。將由三維方法的線條隱藏，而不是刪除。當(dāng)一個圖形完成后，鎖定該圖，以免錯誤的操作造成圖形的更改。這樣，當(dāng)模型更改后，二維圖形隨之更新，此時，只需要修改其中的一小部分不符合工程圖表示方法的線條，就可以完成整張圖紙的更改，并不需要重新繪制或是生成整張圖紙。

6.CATIA環(huán)境下二維工程圖圖框、標(biāo)題欄、線型等國標(biāo)化研究

CATIA提供了兩種實(shí)現(xiàn)圖紙中的圖框和標(biāo)題欄的方式，一個相當(dāng)繁雜，一個對中文不支持。可以通過VBScript編程來制作出符合相應(yīng)要求的圖框和標(biāo)題欄，然后使用 Macro命令來實(shí)現(xiàn)所需圖框和中文標(biāo)題欄的調(diào)用。對二維工程圖其他標(biāo)記和符號也進(jìn)行了研究，確保 CATIA系統(tǒng)中生成的二維工程圖符合國標(biāo)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

二 、新高教機(jī)數(shù)字化技術(shù)的主要特點(diǎn)及 比較研究

新型高級教練機(jī)設(shè)計(jì)采用產(chǎn)品數(shù)字化技術(shù)與國內(nèi)當(dāng)前的最先進(jìn)水平相同，但新型高級教練機(jī)設(shè)計(jì)中使用產(chǎn)品數(shù)字化技術(shù)又形成了一些獨(dú)有的特點(diǎn)。

新型高級教練機(jī)外形設(shè)計(jì)所考慮的因素很多，前機(jī)身和機(jī)翼是全新設(shè)計(jì)，而與之相連接的后機(jī)身、尾翼仍然是殲教七型飛機(jī)的外形。一個是三維全新設(shè)計(jì)，一個是按標(biāo)準(zhǔn)樣件制造，使它們在設(shè)計(jì)和制造中保持光滑連接，難度很大。在攻關(guān)工作中，通過邊摸索，邊實(shí)踐，打破常規(guī)思路，探索出了一套符合新型高級教練機(jī)外形特點(diǎn)的行之有效的設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)方法。

新型高級教練機(jī)前機(jī)身結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)是在沒有任何二維工程圖、原準(zhǔn)機(jī)結(jié)構(gòu)作為參照的基礎(chǔ)上進(jìn)行的產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)過程完全符合 "電子樣機(jī)"的設(shè)計(jì)理念，這種標(biāo)準(zhǔn)的"電子樣機(jī)"設(shè)計(jì)制造流程的實(shí)施，在當(dāng)今國內(nèi)同行中，是走在前列的。

通常情況下，主機(jī)所僅向工廠提供數(shù)控機(jī)加件的三維精確數(shù)模，其他零件模型僅用于設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)。但新型高級教練機(jī)前機(jī)身結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)不僅向工廠提供數(shù)控加工件的精確三維數(shù)模，而且還要向工廠提供需數(shù)控加工模胎、樣板的鈑金件的精確三維數(shù)模，以及整個前機(jī)身的三維數(shù)模。因此，設(shè)計(jì)量和難度相當(dāng)大，設(shè)計(jì)精度也相當(dāng)高。機(jī)翼設(shè)計(jì)以準(zhǔn)確的三維數(shù)模發(fā)放，實(shí)現(xiàn)了零部件的數(shù)控加工，達(dá)到了取消機(jī)翼模線、減少了工裝、縮短研制周期的目的。

仿真技術(shù)在結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，將一些總體性布置的問題提早發(fā)現(xiàn)，避免了許多協(xié)調(diào)錯誤的發(fā)生和設(shè)計(jì)返工。

基于CATIA環(huán)境，生成二維工程圖的難度相當(dāng)大，工作量也很繁重。而新型高級教練機(jī)的前機(jī)身結(jié)構(gòu)全部是 CATIA環(huán)境中實(shí)現(xiàn)三維到二維工程圖的轉(zhuǎn)化，在不到一年的時間內(nèi)，完成大量的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)工程圖轉(zhuǎn)換，在這方面的應(yīng)用研究已達(dá)到了比較高的水平，形成了自己的一些獨(dú)有的特點(diǎn)。

三、結(jié)束語

數(shù)字化技術(shù)在新型高級教練機(jī)研制中的應(yīng)用，打破了長期以來飛機(jī)研制所沿襲的傳統(tǒng)習(xí)慣和觀念，引入了"電子樣機(jī)"的設(shè)計(jì)理念，借助 CATIA三維設(shè)計(jì)平臺，進(jìn)行型號研制，大大提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。