1引言
在航空制造业中，基于CAD模型的产品设计与制造已经成为主流模式。作为新一代的CAD技术，基于模型定义（ModelBasedDefinition，MBD）技术在航空工业的应用越来越流行[1]。MBD的核心在于以一个集成化的3D实体模型作为单一数据源头携带贯穿产品全生命周期所需的各种信息。基于MBD的制造模式一经推出，就被认为是航空工业革命性的变革，在这一数字化浪潮中，航空工业面临前所未有的挑战和机遇，如何利用MBD技术带来的发展契机，重塑航空制造流程成为工程领域研究的热点问题。目前，航空器上的复合材料结构正朝着大型化、整体化的方向不断发展，复合材料的用量已经成为衡量航空器先进性与安全性的重要标志。复合材料结构的制造依赖过程控制，需要定义工艺设计、成型工艺装备、设备控制和检验所需的模型。因此研究面向制造的复合材料结构的三维集成化实体模型是航空制造业能否顺应MBD这一新制造模式发展潮流要解决的关键问题之一。制造模型是制造数据链的核心，是设计意图表示的唯一载体，是制造企业完成产品制造及检验的唯一依据[2]。MBD模式下制造模型（工艺模型）的定义、表示和应用是学者与工程技术人员研究的重点。文献[3]指出在MBD模式下，产品的设计制造数据都应该以结构化形式集成到CAD模型中以更好支持产品全生命周期各个阶段的活动，在此基础上提出一种基于质量功能展开的MBD模型应用方法。文献[4]研究了基于MBD的三维数字化制造体系，分析了基于MBD的数字化定义技术、工艺设计与仿真技术、工艺装备设计制造集成技术、数字化检测与质量控制技术和产品数据管理系统集成技术。文献[5]提出一种利用加工知识创建基于MBD的工艺模型的新方法。文献[6]针对机加工艺的典型特征，以工艺MBD模型为基本单元，利用加工特征作为载体将几何与工艺信息集成，建立了面向工艺的MBD模型。文献[7]结合钣金零件成型特点，分析了钣金零件数字化制造模型的结构、组成及各个状态的定义。文献[8]针对当前的MBD模型缺乏基于特征的模型数据表示而不能很好应用于制造领域的现状，从模型重用的角度提出一种基于加工特征的多层次结构化的MBD模型表示。文献[9]指出识别和理解几何设计意图是MBD模型重用的关键，进而提出一种扩展的三维注释标注方法以显式传递几何设计意图。文献[10]研究了基于MBD的装配工艺数据模型，分析了其中的信息种类和具体组成以及数据来源。综上所述，基于MBD的制造模型涉及钣金件、机械加工件、装配模型等，但较少涉及航空制造领域比重越来越大的复合材料，这与航空制造技术的发展潮流不相匹配。针对这一现状，开展基于MBD的复合材料制造模型研究。
2数字化制造对MBD技术的需求
复合材料结构的数字化制造要求从产品制造全过程不同阶段的不同需求来全面描述产品的工程信息，而数字化制造对产品建模提出的新要求根源于复合材料结构制造的两个工程特征。（1）复合材料结构的强可设计性和“增材制造”特性要求3D集成化的模型表示。在复合材料结构的设计过程中，考虑承载、环境以及功能需求等设计因素，复合材料结构通常设计得厚度不均，铺层形状各异，不同形式的材料混杂如树脂基玻璃纤维铺层与树脂基碳纤维铺层混合等。这体现了复合材料结构的强可设计性，但对模型的表示也提出了更高的要求。传统的复合材料数字化制造模式中，3D模型表示结构的几何，而铺层等细节设计意图通过2D图纸的形式表示，造成产品数据源的分离，不仅不利于对产品数据的管理，还为工艺人员带来沉重的根据2D图纸上的尺寸信息从3D模型上重新设计工艺铺层的任务。而MBD技术采用3D标注加三维模型表达方式，可以更加清晰、完整地表达复合材料结构的设计思想，同时尺寸、公差、铺层等制造信息的集成表示具有更强的表现力。复合材料结构铺叠成型的“增材”制造模式依赖对3D几何模型的曲面展开，同时相应的工装设计也需要在3D设计模型的基础上进行相应的扩展和修正，才能得到最终的3D工装数模。复合材料结构的成型工装是设计数模面向制造的延拓，需充分考虑成型前后铺层的厚度变化、压力场与温度场对工装型面修正的影响。以集成化3D实体模型表示复合材料成型工装并使之与设计数模关联，将有效加强产品数据的管理。因此，复合材料结构的设计制造特性易于与MBD技术融合。（2）复合材料结构成型的多工序性要求面向工艺过程表达的中间模型。复合材料结构制造过程由工艺准备过程和工艺过程两个链组成。在工艺准备过程中，设计数模表示的是最终零件的成型态，而复合材料结构大型化和整体化的特征造成成型时通常不能一步成型出最终的设计态。在工程实践中，根据复合材料结构的特点，对工艺过程进行适当的划分，形成复合材料结构的成型工序，通常采用先成型主体结构，再通过二次胶接或模压共固化的方式完成构件成型，最后利用相应的夹具夹持构件，进行最终的钻孔、修边工作。因此在工艺准备过程中，必须对各个工艺步骤进行合理划分，针对当前工艺步骤下的模型进行数字化定义，以便开展数字化工装设计、数字化工艺设计、设备控制、检验模型设计等。在工艺过程中，工艺准备过程的模型作为依据，驱动制造的物理过程。因此，要为复合材料结构数字化制造过程提供依据，必须使用数字量表达和定义的相互关联的中间模型。
3基于MBD的复合材料制造模型
3.1制造模型的组成分析
设计部门发放的复合材料结构的MBD模型是按照构件的功能进行定义的，仅包含了构件最终的几何模型及其工艺信息，并不考虑构件制造的中间状态，而复合材料结构的大型化、整体化、形状复杂化等特征使得其制造通常是分阶段的，并且每个阶段都要定义相应的工艺信息，如成型精度（尺寸、公差）、固化温度、压力、时间、表面处理方法以及待胶接面的保护等，以保证结构最终的成型质量。同时，在复合材料结构的成型过程中，需要相应的成型工装，胶接面加工需要装夹定位等。这都要求对原有的设计模型进行修改（如将设计数模拆分成对应中间某个阶段的几何模型，或者为保证一些高要求的尺寸特征，增加相应的工艺铺层等）。因此，设计MBD模型难以直接应用于数字化工艺设计。通过对复合材料结构成型工艺过程进行分析，考虑复合材料结构成型过程中的典型状态，分析了制造模型的组成，如图1所示。初始模型，主要作为预浸料数控下料、成型工装设计的依据。初始模型以设计模型为数据源，结合工艺特征，利用数字化设计、计算机仿真和专家经验设计构建。下料数据通过对设计模型曲面展开得到，其形状直接影响复合材料结构几何形状的准确度，一般都通过曲面扩展的方式留有工艺余量；针对不可展曲面，需对初始模型进行有限元仿真，根据有限元网格的变形情况，确定剪口的方式；特别地，对尺寸大或曲面复杂的构件必须进行铺层分块，而铺层分块的方法和搭接方法依赖对初始模型的有限元仿真结果，最终建立完整的3D铺层模型作为初始模型的有机组成部分。在设计模型的基础上，考虑成型过程的物理环境，通过有限元仿真确定温度场和压力场，以此为依据结合已有的专家经验，对模具型面进行相应的修正，最终模具的3D集成化模型（几何模型+制造工程信息）是初始模型的重要组成部分。中间模型，主要用于夹具设计、数控程序设计、检验量具设计、表面处理工艺参数设计等，包括组成复合材料结构的小件的3D集成化实体模型，复合材料结构的主体部分与小件的胶接或共固化等几何形状与制造工程信息的集成模型和小件或主体部分的精度检测模型。最终模型，主要应用于检验模型设计，数控程序设计的3D集成化模型。利用该模型对成型的复合材料主体结构添加相应的设计孔特征，关键装配面精度保证的数控加工程序设计，如铣端面等，并对结构预留的工艺余量进行切边去除。
3.2基于MBD的制造模型定义
在传统的复合材料结构数字化制造过程中，产品信息的关联性差，设计数模、工装数模、2D工装制造图纸、3D铺层模型、2D的铺层排样数据，以及2D数字化工艺设计中的成型参数等工程信息紧密相关但以散乱、各异的形式存在于制造过程中，为企业的产品数据管理带来巨大的挑战。基于MBD的制造模式下，复合材料结构的制造模型以3D模型为载体，将制造工程信息，如尺寸公差，形位公差、表面处理方法、固化温度、压力、时间等工艺设计信息与3D模型紧密关联。通过对复合材料工艺设计过程涉及到的信息以及工艺设计信息与模型之间的关系进行分析，结合复合材料结构的成形工艺特点，利用各个阶段模型之间的关联性确定了制造模型组成部分之间的相关关联。制造模型定义采用“阶段划分-模型定义-模型优化”的迭代模式生成。制造模型的定义不仅依赖MBD这一先进的数字化设计制造理念，更需要企业在长期生产实践中积累的大量工艺知识。在CATIA、FiberSIM等先进数字化软件平台的支持下，根据企业积累以及自身特色形成的复合材料制造工艺知识库，通过制造模型阶段划分、建立了基于MBD的复合材料结构制造模型，如图2所示。实体层，定义了模型的3D几何形状，作为非几何信息（尺寸、公差、固化条件、材料信息）的载体，是工装设计、预浸料下料数据的源数据。扩展层，定义了3D标注信息，主要包括尺寸、公差、注释、表面粗糙度、形位公差、装配、检验、测试和材料等制造工程信息。其中注释定义了构件的表面处理、工艺要求等，标记定义了装夹、定位基准等。扩展层标注到3D几何模型上，直接在3D环境中显示，可通过多视图管理实现相应信息的选择、缩放、隐藏和显示等操作。应用层，是基于3D几何模型和扩展层的应用，以两者作为基础面向整个制造流程的应用，如成型工装设计制造、检验工装设计制造，预浸料下料数据以及铺层的激光投影数据的生成、机械加工的数控程序设计，装夹定位工装的设计制造，表面处理方法等。应用层的信息以索引的方式与扩展层、实体层关联，需要根据企业自身特点进行上述信息的组织显示。
3.3基于MBD的制造模型在复合材料数字化制造中的应用
传统的复合材料数字化制造往往侧重制造过程的某个环节，缺乏对整个制造过程所涉及的所有环节的系统考虑。基于MBD的复合材料制造模型以集成化的3D模型表示将复合材料成型各个环节紧密结合在一起，是先进复合材料制造体系的有机组成。从系统学的角度而言，以制造模型为核心的复合材料数字化制造体系对复合材料制造的各个环节进行了严密的数字化定义，以数字量传递和控制成型模具设计、检验设计、制造指令设计、工艺参数设计等，实现了快速、精密、高质量成型，有效降低了生产成本和缩短了制造周期。基于MBD的复合材料制造模型应用方案，如图3所示。
4结束语
在现代航空器的制造活动中，基于MBD的制造模式不仅仅是简单的3D注释加3D模型，而是一种集成化制造理念的建立。针对航空器上比重越来越大的复合材料结构，提出基于MBD的制造模型以构成面向全数字化制造的产品模型。该模型已经成功集成应用于国内某航空制造企业的复合材料数字化制造体系中。基于MBD的复合材料制造模型实现了设计与制造的紧密集成，可进一步艺术论文大纲提高航空复合材料结构的质量、降低成本和缩短生产周期。
作者：贺强 白晓亮 杨文锋 单位：中国民用航空飞行学院 西北工业大学机电学院
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