本文探討了全三維飛機的設計技術和應用相關內容。

　　隨著計算機技術發展，特別是三維CAD技術的發展，人類使用三維模型表達設計意圖成為可能。自20世紀80 年代開始，西方發達國家已經開始把三維設計技術應用于產品設計和生產中。21世紀初，電子樣機技術已經在我國飛機研制中得到規模化應用，并取得了顯著的效益。最近幾年來，隨著國家信息化帶動工業化戰略決策的制定及其中航工業數字化技術應用頂層規劃的制定，飛機研制數字化的應用有了長足的發展，在某些方面已經接近或趕上國際先進水平，如在數字樣機設計方面，實現了100%的三維建模和100%的數字化虛擬裝配，在多個飛機型號的研制中，已經完全使用數字樣機取代物理樣機。

　　基于CAD技術的虛擬樣機設計技術，給設計協調帶來了巨大的好處，幾乎所有的設計意圖都可以通過三維模型進行協調和匹配檢查、運動機構仿真、分析仿真，實現了所見即所得，回歸了人類自然的創造模式，降低了勞動強度，提高了設計質量，減少了設計返工。但是，以三維為手段的飛機產品研制模式，并沒因其諸多優勢就很快替代傳統的以二維圖紙為手段的研制模式。由于受生產模式和習慣及其工廠生產條件、員工基本技能等因素的限制，一段時間內，我國航空工業仍然采用二維加三維的模式進行設計和生產(三維設計，二維生產)，設計人員除了建立三維模型外，還需要把三維模型轉化為二維圖樣，提交制造廠使用，這樣不僅增加了工作量，還難以保證數據的唯一性。

　　實踐證明，二維加三維的模式已經成為阻礙航空工業數字化技術應用進程的主要障礙之一，因此，中航工業第一飛機設計研究院(一飛院)在某型飛機機頭物理樣機的研制中，與成飛等單位合作，首次把全三維設計技術應用于型號的研制中。在此研制中，沒有使用一張二維圖樣，全部使用三維模型，效果顯著，得到了設計、制造及其行業內各方認可，目前正全線推廣應用于整個型號研制及其他兄弟單位的飛機研制中。

　　全三維設計技術(Full Three-Dimensional Design)不僅帶來了飛機研制模式的改變，而且成就了新的高效的飛機設計手段，主要包括樣機的在線設計技術、關聯設計技術、基于成熟度控制的并行協同設計技術等，為航空工業數字化技術體系化的應用打下了堅實的基礎。

　　全三維設計技術概念

　　全三維設計技術最早在波音公司得到應用，我國航空工業全三維設計也是從波音的轉包生產中得到學習、啟發、借鑒和應用的。簡單地說，全三維設計就是在建立三維模型時，不僅要包含精確的幾何模型，還需要包含尺寸、公差、基準、屬性等信息，以滿足下游工藝設計和檢驗設計的要求，替代原二維圖樣的功能，這樣才能把二維圖樣完全取消掉。

　　談到全三維設計技術，不得不提及基于模型定義的概念，也就是國際流行的MBD(Model Based Definition)技術。“基于模型定義的內容應包括飛機的功能模型(性能模型)、空間模型(幾何模型)、制造模型(工藝模型)和支持模型(維護模型)”，如圖1所示。

　　從圖1 可以看出，MBD技術涵蓋了產品從設計、分析、制造、維護的整個生命周期，其中面向設計和制造的空間和制造模型是MBD技術的基礎，并且目前在國外技術應用比較成熟，國內在近一兩年內也進行了深入探索研究和試點應用，因此我們所說的全三維設計技術通常是指面向制造的模型的建立和應用。

　　全三維設計技術實現

　　目前，全三維設計技術在中航工業一飛院所承擔的某型號任務中正進行全面的推廣和應用，也是我國首次把全三維設計技術大規模應用于型號的研制中。

　　全三維設計技術之所以較難推廣，原因在于還沒有形成在三維模型中進行三維標注的標準和規范，三維數字化定義僅包含零組件的幾何模型。僅靠產品的三維數字化模型，往往難以進行產品的生產和檢驗。也就是說，三維模型中沒有讓技術人員立刻明白的方式，將制造工藝、生產技術、模具設計與生產、部件裝配、部件與產品檢驗等工序所必須的設計意圖添加到三維模型中去。也就是說，雖然三維模型包含了二維圖紙所不具備的詳細形狀信息，但是，三維數據中不包括幾何公差、尺寸公差、表面粗糙度、表面處理方法、熱處理方法、材質、結合形勢、間隙的設置、連接范圍、潤滑油涂刷范圍和顏色、要求符合的規格與標準等，這些僅靠形狀是無法表達的(非形狀或幾何)信息。基于這一情況，美國機械工程師協會(ASME)于2003年在波音公司舉行會議，與波音公司共同制訂了“數字化產品定義數據規程”(DigitalProduct Definition Data Practice，DPDDP)ASME Y14.41標準。其主導思想不只是簡單地將二維圖紙的信息反映到三維模型中去，而要充分利用三維模型所具備的表現力，去探索便于用戶理解、更具效率的設計信息表達方式。”

　　全三維設計技術的實現主要涉及全三維設計工具、全三維設計規范、全三維數據管理技術等幾個方面。

　　1全三維設計工具

　　全三維設計工具包括建模工具和三維標注工具，是全三維設計技術應用的基本工具。三維建模工具軟件較多，常見的有UG、ProE、CAXA、CATIA等，具有三維標注功能的軟件以達索公司的CATIA最具代表性，也是波音和我國航空工業使用的主流三維設計軟件。

　　圖2為CATIA V5R18的三維標注功能模塊應用界面，窗口中編輯的是一個已經完成三維標注的零件，這是波音飛機中使用的一個真實的零件。圖2所示內容基本包含了5個部分：零件的幾何模型;零件的尺寸和公差標注;零件結構樹幾何定義部分;零件結構樹標注定義部分;三維標注工具。除尺寸和公差外，波音全三維設計的標注還包括關鍵特征(KC)的標注;零件的注釋說明，零件加工工藝過程所必須提供的產品描述性定義信息;裝配連接定義。由于加工方法的不同，建模方法也不同。機加、鈑金、復合材料、管路系統、電氣系統的設計必須使用不同的工具，同樣，相應的標注方法也不盡相同。在建模方面，CATIA提供了通用機械零件設計模塊(MD2或HD2)，航空鈑金零件設計模塊(ASMD)、復合材料設計模塊(CPD)、管路系統設計模塊(PUB)及其電氣系統設計模塊(EHD/EWR等);在三維標注方面，CATIA提供了基于零件(FTA)和裝配件(PTA)的三維標注工具模塊。

　　2全三維設計規范

　　全三維設計技術的應用，離不開全三維設計技術應用規范。波音為了推動全三維設計的應用，編寫了BDS-600系列規范，共計23種。

　　中航工業一飛機院在某型飛機的研制中，為推進全三維設計技術的應用，在實際應用初期，成立了由總體、結構、系統、信息和標準部門專門人員組成的MBD技術應用攻關團隊，通過研究在三維模型上進行尺寸和公差標注技術方法、剖視圖生成技術方法、加工要求標注技術方法、特征視圖捕獲創建與管理技術方法、附加標準依據信息技術方法、采用零件模型進行三維裝配模型的標注技術等，并通過對波音實例零件的分析消化及其與制造部門的協調，初步確定了MBD的技術方案，編寫了全機物理樣機三維制圖標注規定，為全三維設計技術的應用奠定了基礎。

　　目前中航工業一飛機院已經完成全三維數字化設計與制造標準文件20余份，基本形成完整的技術體系，位居行業前列。

　　3全三維設計數據管理技術

　　以三維模型為核心的飛機研制，改變了傳統的飛機研制模式，無論是數據的形式(紙質變電子)和內容(平面變立體)都發生了變化，給數據的管理、審核和發送提出了新的挑戰。實踐證明，像紙介質一樣人工管理三維模型的方式已經無法滿足全三維設計技術的要求。因此，波音在推進全三維設計技術應用的同時，積極推進產品數據管理技術的應用，建立了全球協同研制環境(GlobalCollaboration Environment，GCE)，解決全三維設計數據的管理問題、設計的并行問題、制造的協同問題、技術狀態的管理問題等，形成了一套完整的全三維飛機研制技術體系和解決方案。

　　中航工業一飛機院在某型飛機的研制中，以全三維研制技術體系為支撐，建立了以關聯設計和協同研制為主體的數字化協同設計環境(DigitalC o l l a b o r a t i o nE n v i r o n m e n t，DCE)，解決全三維設計的數據管理和并行協同研制問題。DCE平臺主要由關聯設計子系統和協同研制子系統兩大子系統構成，2個子系統之間通過接口連接，以實現數據的交換和流程的控制。

　　關聯設計子系統，主要面向設計，完成設計內部各專業之間的數據共享、設計并行和模型的成熟度控制，提供模型標注工具與模板，進行在線設計和關聯設計。

　　協同研制子系統，主要進行數據的審核/發送控制，進行數據向制造廠的發送、試制問題的處理和溝通，進行更改控制和技術狀態管理等。DCE平臺解決了全三維設計的數據管理問題，為保證型號的順利研制起到非常重要的作用。

　　4全三維設計的推廣

　　全三維設計是一種新技術，必然會受到傳統設計方法及設計習慣的阻礙與限制，特別對于制造部門，無疑是一場革命，將改變原有的研制流程，提高技術人員的技術水平，變革原有的設計工具。因此，在全三維設計技術應用過程中，有些不是通過技術手段可以解決的，必須通過管理手段，在此過程中最為艱難的是“要從二維圖紙文化這種現有概念中跳出來”，要從決策和管理層進行推進。

　　全三維設計技術應用

　　在某型飛機的研制中，中航工業一飛院作為總師單位聯合國內六大制造廠，首先在機頭、起落架和尾翼部分全面推廣全三維設計技術，涉及零件近萬個，涵蓋了機加、鈑金、復合材料、管線和裝配等幾乎所有零組件的制造類型，應用效果明顯，據設計人員初步估算，一般零件和組件設計，效率提高2~3倍，復合材料零件設計效率提高5倍。圖3和圖4分別圖示了機加零件和管路系統的全三維設計。

　　全三維設計技術方法

　　全三維設計不僅僅改變了設計思想的表達方法(從二維到三維)，而且可以改變設計方法。全三維設計是在CAD技術支持下，利用計算機幾何設計、圖像處理等技術實現現實物體的虛擬表現。三維模型中基本的幾何要素(點、線、面等)都是用不同的數學模型來描述的，并以對象的方式存在于數據中，這樣就很容易建立對象之間的各種關系(包括引用、連接、繼承等)，因此，全三維設計技術的應用必然會引起設計方法的改變，如模型的參數化設計、模型之間的關聯設計等。

　　支持參數化設計，是CAD軟件的基本功能，在此基礎上形成的特征設計，超強拷貝(Power Copy)及其知識工程，則是參數化設計的高級應用。參數化設計解決了零件建模的自動化問題，比如標準件系列建模，給定不同的參數，就會得到同一類型不同規格的標準件。如果建立了模型之間幾何元素的引用和參考關系，就可以進行飛機設計中不同專業之間及其專業內部上下游之間的關聯設計。關聯設計技術是在三維設計過程中，通過參數化設計技術建立模型之間的相互依賴關系，從而實現飛機研制中上下游專業設計輸入與設計輸出之間的影響、控制和約束關系。

　　關聯設計實施的難度在于頂層規劃設計和關聯設計規范的定義，包括骨架模型和接口的定義規則，梳理專業之間的業務流程，產品的結構組織定義，骨架模型的分布規則等。中航工業一飛院在某型飛機的研制中，通過技術攻關，建立了關聯設計技術體系，把關聯設計技術成功應用于總體、結構和系統的設計，取得顯著的成果。

　　除關聯設計外，全三維設計技術還在產品數據管理技術支持下，實現樣機的在線設計和基于成熟度控制的并行設計等，為高效快捷進行飛機研制提供了非常有效的手段。

　　推動全三維設計技術應用

　　全三維設計技術為飛機研制數字化技術應用奠定了堅實的基礎。2006年12月26日波音攜手達索向公眾展示了787虛擬生產線，此前不久波音向世界宣布了787夢幻飛機虛擬下線，這是人類首次通過仿真技術測試驗證新產品并實現產品下線。夢幻線過程集成副總裁Kevin Fowler總結說“像波音787夢幻線這樣具有突破性的項目，需要在性能、質量、成本和時間上都處于領先地位，而這些要以有效靈活的生產規劃作為支撐。三維的PLM能夠很好地滿足這些需求”。

　　全三維設計技術可保證設計數據的唯一性;保證設計數據的一致性;提高設計效率、保證設計質量;設計意圖直觀表現，提高制造效率和質量;可直接應用于后續的仿真與分析，簡化分析建模，減少數據轉換;是飛機數字化技術應用的基礎。全面推動全三維設計技術的應用，必將帶動我國航空數字化設計技術的跨越式發展，縮短與發達國家的技術差距，當然這其中會遇到相當大的困難，但需要有打破傳統設計習慣的魄力和決心。