采用MBD技術的液體火箭發動機三維模型設計

秦紅強，裴 曦，范文婷，張相盟，巨 龍

（西安航天動力研究所,陜西西安710100）

采用MBD技術的液體火箭發動機三維模型設計

秦紅強，裴 曦，范文婷，張相盟，巨 龍

（西安航天動力研究所,陜西西安710100）

采用MBD（Model Based Definition） 技術，以Pro/E和Intralink為協同設計平臺，首次實現了液體火箭發動機的全三維數字化模型設計。通過將設計、工藝、材料和制造等相關信息包含在三維模型中，并將三維模型電子分發下廠，實現了用MBD模型完全取代傳統研制模式中的二維圖紙；同時基于MBD模型實現了三維仿真和裝配過程分析，減少了方案反復。結果表明采用MBD技術的三維模型設計可顯著提高產品研制效率，并為三維數字化制造奠定了堅實基礎。

MBD；液體火箭發動機；三維模型；協同設計；三維仿真

0 引言

目前液體火箭發動機研制大多采用二維圖紙為主、三維模型為輔的數字化研制模式。設計人員先完成產品方案設計和三維模型，然后將三維模型投影成二維圖紙，在完成所有尺寸標注和信息填寫后曬蘭下廠，二維圖紙成為生產加工的唯一依據。在該研制模式下，三維模型僅用于方案設計和輔助出圖，不能用于產品加工、裝配和檢驗等，未能充分發揮三維模型的作用。

隨著信息化和計算機技術的快速發展，采用MBD（基于模型定義，Model Based Definition，簡稱MBD)技術的三維數字化設計與制造模式已在國內外航空、航天等領域廣泛應用，并引起了設計過程和制造模式的革命性變革。該模式將MBD模型作為設計、加工過程中信息的唯一載體，并為并行協同設計提供了技術途徑。

結合液體火箭發動機研制特點，通過采用MBD技術，某液體火箭發動機在國內首次實現了發動機全三維數字化協同設計。本文主要論述了MBD技術在該液體火箭發動機數字化設計中的應用情況，進一步促進了MBD技術在液體火箭發動機領域的應用。

1 MBD技術及其應用現狀

1.1 MBD技術

基于模型定義 (MBD)技術是將產品的所有相關設計定義、工藝描述、屬性和管理等信息都附著在產品三維模型中的先進數字化定義方法。

MBD技術最初由波音公司于20世紀90年代提出，并于2003年被美國ASME批準為機械產品工程模型的定義標準，即ASME Y14.41《數字化產品定義數據實施規程》。后來波音公司在該標準的基礎上做了進一步研究，制定了BDS-600系列應用規范。2006年，ISO組織借鑒ASME Y14.41和BDS-600標準，制定了ISO 16792標準，進一步推動了數字化技術的應用發展[1-2]。

MBD是產品定義方式的一次革命，它以更為強大的表現力和易于理解的定義方式，極大地提高了產品定義的設計質量和利用效率，使設計、制造融為一體，代表著未來產品設計技術的發展方向[3]。

1.2 國外應用情況

波音公司早在20世紀90年代中期就已提出MBD的概念。從2004年開始，波音公司在787客機的設計和制造中開始全面應用MBD技術，實現三維模型完全取代二維圖紙。MBD技術使三維實體模型成為飛機研制過程中的唯一依據，有效提升了飛機研制的效率和質量，并為波音公司帶來了巨大的效率[4]。2009年，波音公司在新一代“戰神”航天運載器研制中采用了MBD技術，實現設計制造一體化，縮短裝配工期57%。與此同時，空客、洛克希德·馬丁等公司也在項目研制中全面采用了MBD技術[1]。

1.3 國內應用情況

在國內，許多學者和航空航天單位已經充分認識到MBD技術將是今后數字化設計與制造的發展趨勢，并大力開展以MBD為代表的數字化技術的研究與應用。2009年，全國技術產品文件標準化技術委員會借鑒國外MBD先進經驗，結合我國機械行業實際情況，制定了GB/T 24734系列《數字化產品定義數據通則》，對產品的三維設計制造進行了相關規定[1,5]。

目前MBD技術在國內航空領域應用較多，并已在以大飛機為代表的多種型號飛機的數字化設計與制造中得到應用[2-4,6-9]。在航天領域，MBD技術的應用則起步相對較晚，目前僅在新一代運載火箭上初步使用[1,10,11]，在液體火箭發動機領域的應用則相對較少。

2 MBD模型設計及應用

為了改進液體火箭發動機研制模式，提升我國液體火箭發動機設計水平，某液體火箭發動機采用了MBD技術，在國內首次實現了發動機全三維數字化設計，促進了MBD技術在液體火箭發動機領域的推廣和應用。

2.1 協同設計平臺

要實現采用MBD技術的數字化設計，必需構建一個三維協同設計平臺。首先是選擇三維建模軟件，目前比較流行的三維設計軟件有很多，如 CATIA、Pro/E(Creo)、UG、SolidWorks和AutoCAD等。為了便于與火箭總體進行結構協調，某液體火箭發動機采用了PTC公司的Pro/E軟件作為三維建模軟件。在有了三維設計軟件之后，協同平臺還要為用戶提供一個與三維設計無縫集成的模型共享機制，確保產品研制數據的一致性、共享性、有效性、完整性和可追溯性。Intralink是PTC公司開發的一個與Pro/E軟件無縫集成又基于WEB的設計協同平臺，它支持不同部門的多個CAD用戶實時進行協同設計[1]。因此某液體火箭發動機最終選擇Pro/E+Intralink作為三維協同設計平臺，其工作流程見圖1[12-13]。

2.2 三維設計規范

三維設計和原有的二維設計是兩種不同的設計模式，必須有合理、嚴格的標準規范進行約束。

首先結合液體火箭發動機設計特點，參考國內外三維數字化設計規范，制定了二十余項適用于液體火箭發動機的三維數字化設計標準，規范化了三維模板、三維模型命名、三維模型著色、標準件庫使用、三維標注和模型管理等內容。

2.3 三維模型設計

建立MBD三維模型是開展三維數字化協同設計與制造的基礎和核心工作，該模型必須確保包含所有設計信息。

在某液體火箭發動機研制中，設計人員按照系統設計要求進行結構方案設計和規范化三維建模，并采用IPT模式完成工藝會簽、標審等工作，其中三維建模和三維標注模型設計的核心工作。目前三維標注工作包含全尺寸標注，明確技術要求和模型屬性參數（見表1）填寫等工作，其中全尺寸標注和技術要求與原有二維圖紙包含內容基本一致，而三維模型屬性參數則用于明確材料屬性、工藝路線和更改信息等內容。MBD模型實現了真正的無紙化設計。

表1 三維模型屬性參數Tab.1 Property parameters of 3D models

2.4 設計狀態控制

設計狀態控制是設計工作的一項重要內容。在使用二維圖紙時，曬蘭下廠圖紙代表了產品最終設計狀態，某液體火箭發動機則通過三維模型版本號來區分。因此為了保證設計狀態的正確性和唯一性，需要對三維模型版本號進行嚴格控制和區分。

由于Intralink平臺不能實現流程管理，因此某液體火箭發動機采用了Avidm+Intralink協同管理模式，其中Avidm負責管理三維模型審批表、明細表和更改單，Intralink平臺實現三維模型存儲、共享和基線管理。在三維模型審批表和更改單中需具體明確最終設計狀態的模型版本號和基線號，確保設計狀態全程受控。

2.5 三維模型分發

在傳統的二維設計模式中，電子圖紙需曬蘭后分發下廠，工藝人員在接收到曬蘭圖紙后才能開始工藝文件設計、工裝設計等工作。采用MBD技術完成三維模型設計后，模型分發下廠流程也隨之發生變化。

在某液體火箭發動機設計中，設計人員完成模型文件審批流程和三維模型基線受控后，檔案部門直接將三維模型基線電子分發到工廠，工藝人員根據三維模型審批表在Intralink中下載和查看相關三維模型，然后開展后續工作。電子分發簡化了三維模型下廠流程，在提高工作效率的同時又降低了研制成本。

2.6 三維模型更改

產品設計狀態更改是發動機研制過程中不可避免的工作內容。傳統的二維圖紙更改一般采用刮改、換頁或換版等方式，并通過下發更改單明確具體更改內容。

采用ProE軟件建立的三維模型可實現參數化設計，對于不改變拓撲結構的簡單更改，僅需對建模特征參數進行修改后更新三維模型就可實現設計要求更改，操作簡單方便。對于改變拓撲結構的復雜更改，則需對更改特征進行重新建模，并同時增加相關三維標注。在更改單中，需明確三維模型更改前后的版本、基線和具體更改內容。

2.7 三維仿真分析

隨著仿真技術的飛速發展，仿真分析已成為液體火箭發動機研制的重要內容。由于液體火箭發動機及其組件結構方案復雜，并涉及流動、傳熱、燃燒等復雜物理化學變化，一維和二維仿真分析不能完全模擬發動機真實工況情況。采用三維數字化設計后，仿真分析模型更加真實，載荷加載和邊界定義更加準確，可進一步提高仿真分析的準確度和精確度。

在某液體火箭發動機研制中，發動機整機和相關組件均開展了剛度、強度、流場、傳熱以及氣熱固耦合等三維仿真分析 (見圖2)，并根據仿真分析結果進行方案和結構優化，使最終設計方案更加完善，發動機性能和可靠性有了進一步提高[14]。MBD模型的建立促使三維仿真分析進入了發動機研制主流程。

2.8 三維裝配模擬

液體火箭發動機結構復雜，零部組件數量多，若結構方案設計不合理，很可能出現產品加工好后裝配困難或者無法裝配問題。在建立全三維模型后，可在結構方案設計階段利用三維模型進行產品裝配過程模擬仿真，提早發現方案設計缺陷，避免結構方案反復。同時三維模型可以用于指導現場裝配，提高裝配效率。

某液體火箭發動機關鍵技術綜合演示驗證裝置為首次研制，包含了二十多種新研組件，結構十分復雜，通過開展三維數字化模裝進行裝配方案驗證，首臺產品實現了一次性成功裝配。

3 結論和建議

1）和傳統的二維研制模式相比，采用MBD技術的三維數字化設計可顯著提高產品設計效率，縮短研制周期。該研制模式也已成為液體火箭發動機研制模式的發展趨勢。

2）MBD技術在液體火箭發動機領域的應用仍處于起步階段，目前僅實現三維數字化設計，后續應爭取實現三維數字化制造，全面推進液體火箭發動機三維數字化研制工作。

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（編輯：陳紅霞）

The3Dmodeldesign of liquid rocket engine using MBD technology

QIN Hongqiang,PEIXi,FANWenting,ZHANG Xiangmeng,JU Long
（Xi’an Aerospace Propulsion Institute,Xi’an 710100,China）

Using MBD（Model Based Definition） technology,the 3D model design of liquid rocketenginewas realized on the platform of Pro/Eand Intralink for the first time.The design,process, material and manufacture information were contained in the 3D model which were distributed electronically to factory and replaced the 2D draw ings in the traditional developmentmode.Based on theMBDmodel,the3D simulation and assembling processanalysiswere carried out,which decreased thescheme iteration.The research resultsindicate that the3Dmodeldesign usingMBD technology can remarkably increase the developmentefficiency.Meanwhile,it can lay a solid foundation for the 3D digitalmanufacture.

model based definition;liquid rocket engine;3D model;collaborative design;3D simulation

V434-34

A

1672-9374(2017)03-0042-05

2016-11-01；

2017-02-13

國家863項目（2013AA70202）

秦紅強（1983—），男，工程師，研究領域為液體火箭發動機總體設計