数字化技术在新型高级教练机研制中的应用

随着航空制造业市场的竞争日趋激烈，产品研制的周期、质量和成本等因素对飞机制造业的影响也日显重要。而先进的产品研制方法、手段以及实施途径是产品研制周期、质量和成本等方面最有力的保证。随着计算机技术、信息技术以及网络技术的发展，基于CAD/CAM系统的航空产品数字化设计制造技术在西方发达国家已被广泛采用，美国波音公司波音777型飞机由于采用了该项新技术，研制周期缩短了50%，出错返工率减少了 75%，成本降低了25%.

我国航空制造业各主机厂所在各自的型号研制中都不同程度地采用了数字化设计制造技术，取得了良好的技术和经济效益。新型高级教练机是为满足市场需要，由中国一航立项研制的重点型号，其主要目标就是要在尽可能短的时间里，将飞机研制出来，迅速占领高级教练机的市场。为了达到目标，贵航飞机设计研究所在立项开始就确立了以 CATIA系统为平台，采用数字化设计技术加快新型高级教练机研制的决策。

飞机产品数字化设计技术的核心就是设计研制中不再以二维图样进行数据传递，而是以CATIA三维实体建模为基础，通过虚拟装配技术、运动仿真技术的运用，完成飞机结构、系统间的协调以及干涉检查，并以三维数模的形式发放到工厂，用于工装以及零部件的生产制造，从而在确保设计质量的基础上，高效地完成产品的研制任务。

新型高级教练机采用的是高升阻比双三角翼、机身两侧肋下进气的大长细比机身、全动平尾和垂直尾翼构成的常规气动布局，选装先进的功能系统和机载设备。其中前机身、机翼外形以及前机身结构、机翼结构、系统为全新设计。新高教飞机前机身段设计难度大，协调极其复杂，因此前机身段的设计遵循"电子样机"的设计理念，即:总体设计发放三维理论外形，结构设计在此基础上，根据总体布置图，布置出机身主要承力构件的初始模型 (承力框、纵向长析和梁等)，然后系统、特设进行初步布置，形成产品主模型三维协调图，并冻结状态。然后在此基础上，进行结构、系统和特设的具体详细设计，并进行计算机虚拟装配、干涉检查，反复协调，最终完善结构三维实体模型的细节设计，并将设计模型发放至工厂，用于生产准备和制造。机翼设计则以准确的三维数模发放，便于零部件的数控加工从而取消机翼模线，达到减少工装，缩短研制周期的目的。

一、数字化技术在新型 高级教练机研制中的应用

1.全机三维外形数据的生成和外形光顺

飞机三维外形设计是电子样机设计的基础，即根据总体布局和气动布局以及其他设计要求来确定飞机的形状和各部件之间的相对位置。良好的气动外形能有效地提高飞机性能，因此对新型高级教练机的外形设计采用数字化设计手段。首先利用 CAD外形设计程序，调整设计输入参数，然后在CATIA软件平台上，结合输入的设计参数，生成新型高级教练机的全机外形，仔细检查其光顺情况是否满足飞机外形光顺设计要求。若不满足，再返回CAD外形设计程序调整设计输入参数，并将其输入CATIA软件中，这样反复叠代，最终得到满足外形光顺设计要求的设计输入参数，并在 CATIA软件中生成三维外形数模。先后完成满足理论外形和光顺设计要求的包含机身、机翼、平尾、垂尾、机背油箱以及座舱盖在内的全机三维外形设计，并发放三维数模。

所构建的全机三维外形数据已实际应用于总体布置和协调、全机气动力特性的分析计算、全机测力吹风模型的制作、进气道性能试验吹风模型的制作、测压试验模型的制作、结构专业的结构设计、系统专业(舱盖、燃油)的系统(结构)设计以及xx飞机制造厂的模线设计和标准样件的制造。

2.打样与详细设计

基于CATIA环境，根据总体发放的三维理论外形、总体布置图以及载荷情况，构造出机身主要承力构件的初始模型(承力框和纵向构件)，提供给系统、特设进行初步布置，形成产品主模型空间协调图。先后完成了第0框~~第14斜框前机身结构、机翼、风挡、座舱盖等三维打样模型。

在冻结的产品主模型空间协调图的基础上，进行结构、系统、特设详细设计，并进行计算机虚拟装配、干涉和检查;构建了前机身0~14框结构、机翼结构、系统近一万个三维模型，进行了九千多张A4工程图的转换。前机身结构详细设计的三维数模用于结构工程图的发放、结构系统的进一步协调，零件、标准样件、钣金件模胎和样板的数控加工，并且能准确地给出零部件的重量和重心位置，为结构减重设计提供了可靠的技术支持;同时，向工厂提供了需数控加工的全机所有零件三维数模和需数控加工模胎和样板的钣金件的三维数模，以及整个前机身段和机翼的三维数模。

数字化设计极大地提高了设计质量，缩短了设计周期。在设计阶段通过对零组件的虚拟装配、干涉检查以及总体结构与系统、特设件的虚拟装配、干涉检查，将设计中的错误提早发现，并给出改进措施，仅总体虚拟装配、干涉检查就发现685项设计错误 。数字化样机在设计中充分发挥了零件设计前确定边界尺寸、设计过程中进行各相关零件协调以及设计完成后对结构、系统、特设件进行验证的功能。新型高级教练机架机的试制成功充分表明，按数字样机设计的部件与传统方式设计的其他部件相比较，试制中的设计错大大大减少。

数字化样机为实施设计制造并行工程，加快研制进度提供了良好条件。从打样设计一结束，各设计专业就陆续向工厂发放三维数据模型，供工厂开展生产工艺准备。先后发放了48张光盘数据，为工厂数控加工创立了坚实的基础，大大缩短了理论模线、结构模线的绘制周期。对于新型高级教练机的制造，先后确定了77项数控加工零件、25项数控加工标准工装、63项数控加工板金工装，这些都必须以精确的三维模型为基础。另一方面，传统的按二维蓝图绘制模线方法占用人力、物力是相当多的，周期至少一年，利用三维模型画模线，不但工作量大大减少，而且技术难度也大幅度降低，在工厂任务紧张的情况下，某飞机设计研究所协助 xx飞机制造厂承担了全机三分之一的模线和样板图绘制任务，全部是利用三维数据进行的。

3.结构三维建模规范和技巧研究

三维建模规范是产品数字化设计的基础，要使整个设计制造团队能够在计算机中查看并操作实体模型，能精确地交流设计意图，就必须在造型时全面考虑产品的制造、工艺、装配等各种信息，使零件的造型顺序尽量与实际加工顺序一致，特征的定义也应与实际加工的基准一致，从而使工艺设计人员能够根据清晰的模型树快速地给出零件的加工工艺。因此，造型过程中良好的构思和建模习惯，既可提高设计质量，又可为后续的工作打下良好的基础。

4.仿真技术的运用研究

以CATIA三维设计软件平台为基础，结合 ADMAS软件，不仅能将飞机实体模型装配后进行干涉检查，而且对于运动构件还可以进行运动仿真和分析。这比起二维图纸上反复计算、协调，再制造实物模型进行构件的协调，更加直观和简便，并且大大提高了设计效率和设计质量。例如在新型高级教练机结构设计初期，通过仿真技术，发现总体布置中所给出的雷达舱口盖为两侧折翻以及将蓄电瓶放置在机头下部是不可行的，并及时反馈给总体专业，避免了重大的设计返工问题发生。

5.三维实体模型转化成二维工程图的技巧研究

由于受制造厂制造条件的限制，三维实体模型和二维工程图都需要发放到工厂作为制造的依据。而由CATIA三维模型直接转化的二维图形反映的仅仅是三维数模在某一个面上的实际投影，很多情况下，图形看起来非常复杂，与常规工程图纸表示方法不符，因此必须对其进行适当的修改，才能满足工程使用要求。同时生成的二维图形一般不能直接进行编辑。在实际的使用过程中，通常是将二维图形与三维模型之间的联系断开，然后再进行编辑。但这样做后，一旦零件有所更改，二维图不会随着三维模型的更改而更新。这就使CATIA的优点不能充分发挥，造成工作效率的下降。经过不断探索，将二维图形与三维模型之间的联系仍然保持，并在二维图环境下，将需要编辑的线条用Duplicate Geometyr命令复制出来进行修改。将由三维方法的线条隐藏，而不是删除。当一个图形完成后，锁定该图，以免错误的操作造成图形的更改。这样，当模型更改后，二维图形随之更新，此时，只需要修改其中的一小部分不符合工程图表示方法的线条，就可以完成整张图纸的更改，并不需要重新绘制或是生成整张图纸。

6.CATIA环境下二维工程图图框、标题栏、线型等国标化研究

CATIA提供了两种实现图纸中的图框和标题栏的方式，一个相当繁杂，一个对中文不支持。可以通过VBScript编程来制作出符合相应要求的图框和标题栏，然后使用 Macro命令来实现所需图框和中文标题栏的调用。对二维工程图其他标记和符号也进行了研究，确保 CATIA系统中生成的二维工程图符合国标和企业标准要求。

二 、新高教机数字化技术的主要特点及 比较研究

新型高级教练机设计采用产品数字化技术与国内当前的最先进水平相同，但新型高级教练机设计中使用产品数字化技术又形成了一些独有的特点。

新型高级教练机外形设计所考虑的因素很多，前机身和机翼是全新设计，而与之相连接的后机身、尾翼仍然是歼教七型飞机的外形。一个是三维全新设计，一个是按标准样件制造，使它们在设计和制造中保持光滑连接，难度很大。在攻关工作中，通过边摸索，边实践，打破常规思路，探索出了一套符合新型高级教练机外形特点的行之有效的设计和检验方法。

新型高级教练机前机身结构三维设计是在没有任何二维工程图、原准机结构作为参照的基础上进行的产品数字化设计，其设计思路和设计过程完全符合 "电子样机"的设计理念，这种标准的"电子样机"设计制造流程的实施，在当今国内同行中，是走在前列的。

通常情况下，主机所仅向工厂提供数控机加件的三维精确数模，其他零件模型仅用于设计协调。但新型高级教练机前机身结构三维设计不仅向工厂提供数控加工件的精确三维数模，而且还要向工厂提供需数控加工模胎、样板的钣金件的精确三维数模，以及整个前机身的三维数模。因此，设计量和难度相当大，设计精度也相当高。机翼设计以准确的三维数模发放，实现了零部件的数控加工，达到了取消机翼模线、减少了工装、缩短研制周期的目的。

仿真技术在结构、系统设计中的运用，将一些总体性布置的问题提早发现，避免了许多协调错误的发生和设计返工。

基于CATIA环境，生成二维工程图的难度相当大，工作量也很繁重。而新型高级教练机的前机身结构全部是 CATIA环境中实现三维到二维工程图的转化，在不到一年的时间内，完成大量的结构、系统工程图转换，在这方面的应用研究已达到了比较高的水平，形成了自己的一些独有的特点。

三、结束语

数字化技术在新型高级教练机研制中的应用，打破了长期以来飞机研制所沿袭的传统习惯和观念，引入了"电子样机"的设计理念，借助 CATIA三维设计平台，进行型号研制，大大提高了设计质量和效率。