0 引言
隨著信息化技術和并行設計工程理念的飛速發展，三維數字化協同設計已在航空、航天、航海、石油、化工和汽車等領域廣泛應用，對傳統研制模式造成了很大的影響和沖擊，并已成為機械產品設計行業的發展趨勢。
本文結合某液體火箭發動機三維數字化協同設計應用現狀，論述了三維數字化協同設計的流程、特點以及應用成果，全面展示了三維數字化協同設計相對于傳統研制模式的優勢，促進了該模式在液體火箭發動機和其他機械產品領域的推廣。
1 國內外現狀
國外基于產品數字樣機的數字化設計與制造模式已廣泛應用于航空、航天、船舶、石油和汽車等領域，并成為產品設計和制造行業發展的趨勢。
20世紀90年代初，波音公司在研制波音777時首次采用了全三維數字化設計、并行設計等數字化技術，率先實現了100％的數字化產品定義和三維數字化預裝配，并通過實施飛機構型定義與控制、制造資源管理等大型工程，使得波音777的研制周期比波音767幾乎縮短了50％，設計更改和返工率減少50％，裝配時出現的問題數量減少了50％～80％。進入2l世紀，波音公司又推出了全球協同研制環境(GCE)，實現了對波音787協同研制的支持，它給整個產品研制提供了一個嶄新的系統方法和解決方案，真正實現了產品研制的全壽命周期數字化協同研制過程與系統的全面集成。
在國內，航空領域的數字化應用起步較早，目前已在飛豹、殲20、運一2O和ARJ2l等多個飛機型號上使用。其中運一20和ARJ21通過采用全三維數字化設計和并行工程方法實現了大部段對接一次成功和飛機上天一次成功。國內航天領域的數字化應用起步相對較晚，目前已在新一代運載火箭上進行了應用，其中CZ一7火箭已實現全壽命周期數字化研制。
2 設計模式對比
2．1 傳統設計模式
傳統設計模式下的液體火箭發動機設計流程見圖1。
圖1 傳統設計流程
設計人員首先按照發動機系統設計輸入完成產品方案設計和結構設計，然后完成二維圖紙設計，再依次完成校對、審核、工藝會簽、標審和批準，最后將二維圖紙曬蘭下廠。可以看出，傳統設計模式未發揮三維數字化設計手段的優勢，且整個研制過程是一個串行模式。傳統設計模式存在以下缺點：
1)串行模式導致設計各階段脫節，產品設計周期長；
2)工藝沒有提前介人產品結構方案設計，在工藝會簽階段容易導致結構方案反復，工作量和設計成本成倍增加；
3)二維圖紙不易理解且可視性差，不能精確定義復雜形面；
4)工藝在開展工藝路線設計時需要重新轉換圖紙所包含信息；
5)不同零部組件之間進行結構尺寸協調比較困難且易出現誤差；
6)不能提前模擬和驗證產品裝配方案；
7)無法直接開展產品三維數字化制造。
2．2 三維數字化協同設計模式
基于三維數字化協同模式的液體火箭發動機設計流程見圖2。
圖2 三維數字化協同設計流程
與傳統設計模式相比，其顯著特點表現為：
1)采用全三維數字化設計手段，建立了全三維數字化模型，并用含三維標注的模型替代了原有的二維圖紙；
2)采用IPT研制模式，將串行設計變為并行設計。
由于采用了新的設計技術和協同手段，該設計模式表現出以下優點：
1)并行設計縮短了產品設計周期；
2)工藝可以提前介入產品結構設計，產品結構方案不易出現反復，研制成本降低；
3)三維模型可真實、立體反映產品設計意圖，易于理解；
4)工藝可直接在三維模型上開展工藝模型設計和工裝設計，減少產品設計信息轉換；
5)便于開展三維仿真分析，優化結構方案；
6)可進行數字化模擬裝配，提前發現產品接口不一致問題，同時驗證裝配方案；
7)為工廠開展三維數字化制造奠定了基礎。
3 液體火箭發動機數字化協同設計
3．1 協同設計平臺
為了便于開展自頂向下的骨架模型設計，某液體火箭發動機研制中選擇了PTC公司的Pro／E軟件作為三維設計軟件，并采用Intralink作為產品數據管理(PDM)和協同共享平臺。
產品設計人員首先利用Pro／E軟件在工作區內完成模型設計，然后通過檢人操作將數據上傳至Intralink服務器實現數據載入和共享。模型發生修改時，首先將其檢出到工作區，完成修改后再執行檢人操作實現數據更新，具體工作流程見圖3。
圖3 工作流程
3．2 骨架模型設計
在液體火箭發動機研制中，發動機總體需根據火箭總體布局要求和總裝布局方案對組件的空間位置、輪廓尺寸、接口方位和接口結構尺寸提出要求，完成發動機總體與組件的接口協調。在傳統的研制模式中，接口協調是通過二維結構設計要求完成的。
在三維數字化協同設計中，通過采用自頂向下模式和多層骨架方案建立了發動機骨架模型（見圖4)，將組件的空間位置、輪廓尺寸、接口方位和接口結構尺寸要求包含在組件發布骨架模型中，用骨架模型替代了傳統模式中的二維結構設計要求，提高了接口協調的準確性和實時性，實現了無紙化接口協調。
圖4 發動機骨架模型
3．3 三維模型設計和管理
3．3．1 三維模型設計
目前液體火箭發動機設計一般采用“二維工程圖為主，三維模型為輔”的產品定義模式。在該模式下，二維曬蘭圖紙代表了產品的最終設計狀態，是產品加工的唯一依據。由于三維模型與二維圖紙是分離的，因此三維模型僅用于發動機布局方案設計和模裝分析，并沒有成為真正意義上的三維模型聞。
基于模型定義技術(Model Based Definition，簡稱MBD1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的數字化定義方法。該技術最初由波音公司提出，并引起了設計過程和制造模式的革命性變化，并為并行協同設計提供了技術途徑，MBD模型成為并行協同過程中信息的唯一載體。
基于Pro／E三維設計軟件和Intralink平臺，結合相關數字化設計規范，某液體火箭發動機首次實現了全三維數字化設計。通過設置三維模型屬性參數(見表1)和全尺寸三維標注，完成了完整的MBD模型設計，真正實現了無紙化設計。
表1 三維模型屬性參數
基于MBD模型，設計人員同時開展了三維仿真分析和三維模擬裝配，提高了仿真結果的正確性和合理性，并提前驗證了發動機裝配方案。
3．3．2 三維模型狀態控制
產品狀態控制是設計人員開展工作的首要任務。三維模型的狀態是通過模型版本號來區分的，為了保證三維模型版本的正確性和唯一性，需要對三維模型狀態進行嚴格控制。
目前發動機研制中采用AVIDM+Intralink共同管理模式，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狀態的模型版本號，確保設計狀態是最新且唯一的。
3．3．3 三維模型狀態更改
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。二維圖紙更改一般采用劃改、換頁或換版等方式，并通過下發更改單明確具體更改內容。
三維模型的更改必須全部在三維模型上進行，并通過更改單明確。由于三維模型采用了參數化設計，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。
3．3．4 三維模型電子分發
在傳統的設計模式中，設計人員完成的二維圖紙需曬蘭下廠并按工藝路線分發。工藝人員在接收到二維圖紙后便可開始工藝文件設計、工裝設計等工作。
采用三維數字化協同設計后，在完成AVIDM流程審批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，工藝根據模型審批表和明細表直接在Intralink中自行下載相關三維模型，然后開展相關工作。電子分發簡化了三維模型下廠流程，可保證三維模型狀態確定后能及時被廠接收，同時降低了研制成本。
3．4 IPT并行設計
傳統的串行研制模式中產品設計與生產完全分離，導致產品研制周期長、效率低、成本高。當年波音公司在實施波音777項目時，成立了238個集成產品開發團隊(Integrated Product Team，簡稱rPT)，實現了并行設計，減少了生產返工和設計更改的數量，保證了產品設計生產一次成功。
某液體火箭發動機采用IPT模式進行并行研制后，設計人員在三維模型完成初期就及時與工藝人員進行溝通交流，對產品結構方案合理性、工藝可實現l生進行討論，然后根據討論結果修改完善三維模型，并再次進行溝通交流。在產品結構方案和工藝方案確定后，工廠可同步啟動工裝設計、工藝模型設計、材料準備和工藝準備等工作。產品方案最終確定后，通過IPT模式完成三維標注、校對、審核、工藝會簽和標審，批準后三維模型直接電子分發下廠。
采用IPT模式后，產品結構方案反復和設計更改明顯減少，研制周期進一步縮短，研制成本也顯著降低。
4 結論
1)和傳統的串行研制模式相比，基于IPT的三維數字化協同設計模式可顯著提高研制效率，縮短研制周期，是液體火箭發動機研制模式的發展趨勢。
2)某液體火箭發動機通過采用該研制模式，實現了無紙化接口協調、MBD模型設計和三維模型電子分發下廠，在國內首次實現了液體火箭發動機全三維數字化協同設計，同時也為后續開展三維數字化制造奠定了堅實基礎。
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本文標題：液體火箭發動機的三維數字化協同設計研究
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