基于模型定义技术的动力系统全三维设计信息管理研究.pdf

科技视界Science&Technology Vision69新技术应用NEW TECHNOLOGY APPLICATION三维数字化设计制造能力已经成为企业竞争的核心，但目前船用领域的动力系统三维设计存在建模技术落后、数字化程度偏低等劣势，且大部分设计形式仍为“三维模型+二维工程图”方式，终版图纸采用三维模型转二维工程图的方法进行出版，这种工作模式无法有效利用三维模型，费时费力，极易出错，数字化程度较低1-5。模型定义技术（Model-based definition，MBD）以MBD 三维模型作为唯一的信息载体，将设计、加工制造等信息均整合至该模型中，实现产品设计效率的提高6-8。该技术已在国际航空领域成熟应用，最早由波音公司提出，并在其 787 型飞机项目上实现了成功应用，该技术是飞机的研制周期缩短 40%，返工量减少了 50%，大大降低了成本9。由于模型定义技术涵盖设计、加工制造等信息，而设计信息又是加工制造的前提和关键，因此本文通过采用 MBD 技术，开展船用领域动力系统全三维设计信息管理研究，提升船用领域动力系统全三维数字化设计能力。同时，传播并优化相关科学知识。基于模型定义技术的动力系统全三维设计信息管理研究 孙冠宇夏军宝赖建永刘诗文赵千里（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川成都610213）摘要：模型定义技术凭借其单一数据源定义、全流程三维传递等优点，大大缩短项目周期，降低项目成本，已经成为国际上航空领域成熟应用的三维数字化设计技术。对现有船用领域动力系统全三维设计中存在的建模技术落后、数字化程度偏低等问题进行梳理，聚焦模型信息难以表达和提取、视图表达不清晰、出图流程复杂等主要问题。根据模型定义技术单一数据源的设计理念，采用 CREO 平台，通过建立设计信息提取方法和获取流程，达到了模型设计信息快速提取的目的，为设计信息的一键输出奠定基础；通过建立视图管理机制，达到了对模型注释信息控制的目的，解决了视图表达不清晰、信息表达干涉重叠的问题；通过建立零修改二维出图设计流程，达到了三维模型直接出二维图的目的，解决了出图流程复杂、工作量大的问题。通过设计信息提取、全三维标注、多视图管理、零修改二维出图等技术开展动力系统全三维设计信息管理研究，解决了影响三维数字化设计进展的主要问题，提升了船用领域动力系统三维数字化设计程度。关键词：模型定义技术；全三维设计；信息管理；动力系统；数字化设计作者简介：孙冠宇，本科生，高级工程师，研究方向为动力布置设计。基金项目：核反应堆系统设计技术重点实验室资助（KLO019430302）。CIENCE&TECHNOLOGY VISION70科技视界科技视界SScience&Technology Vision 1国内外现状目前，国内外对基于模型定义技术的三维数字化设计技术也开展了一系列的研究。周超等10人采用了一种自动标注的方法，解决了三维模型中标注过多的问题。高妮萍11提出了基于 MBD 的三维模型设计信息标注系统。胡祥涛等12人基于全三维模型的数字化工艺设计系统，采用三维标注信息分视图，分图层的管理方法，实现了产品设计制造信息的全三维标注，解决了可能存在的三维标注信息“刺猬”现象。杨牛13通过开展 MBD模型基本体特征识别、定型尺寸与定位尺寸的生成、特征信息提取和尺寸标注等研究，实现了尺寸的智能标注。文献7提出了基于视图的标注信息管理方法，结合UG NX 软件将该方法应用实践，有效地解决了知识信息的管理、查看使用和传递等问题。刘晓波14以三维 CAD软件 CATIA/V5 为平台，利用二次开发技术完成了“基于 MBD 的飞机装配工艺辅助系统”的设计与实现，实现了装配信息快速获取、快速分类统计、快速标注、形象表示、批量装配等，提高了数字化制造的水平，缩短了飞机研制周期，降低了研制成本。韩志仁等15人基于CATIA 二次开发建立了信息平台，得到了针对标准件设计信息提取的方法，大幅提升了数字化制造的工作效率。吴耀16在装配信息模型的基础上，对装配的基本信息、配合信息等信息进行了提取和存储。刘世民等17提出了面向工序建模的设计信息提取算法，以 MBD 模型为唯一依据，获取模型中的设计信息，包括独立标注、关联标注和形状尺寸，并将相关设计信息输出。国外方面，大多数也是在三维建模软件上对其设计信息进行获取，以满足制造需求18-20。国内外对基于模型定义技术的三维数字化设计技术的研究已经较为成熟，但对于船用动力系统设计领域尚未开展适用性研究。国内外针对基于模型定义技术的三维数字化设计技术也出版了相关规范，ISO16792、美国标准 ASMEY14.41，我国 GB/T26099、GB/T24734 等，但这些标准形式各异，具有明显的行业特点，没有具体的数据规范，对于船用动力系统全三维设计的指导意义有限。因此，本文在以 MBD 三维模型作为唯一的信息载体的基础上，明确船用动力系统 MBD 设计原则和要求，并基于全三维设计中存在的问题，开展船用领域动力系统全三维设计信息管理研究 2MBD 设计原则及要求2.1 MBD 设计信息的组成MBD 设计信息主要包括几何拓扑信息、特征信息、三维标注信息和属性信息等。具体包括几何信息、拓扑信息、基准特征、形状特征、结构特征、尺寸信息、标注管理信息、材料信息等。2.2 MBD 三维模型的建模原则参 考 GB/T 26099 系 列 标 准 要 求，船 用 动 力 系 统MBD 三维模型的建模过程中遵循的原则如下：（1）稳定且不冗余，所包含设计信息完整且可更新修改；（2）具备几何要素、约束要素和工程要素；（3）模型的逻辑关系应合理划分，与实际情况相匹配；（4）根据实际工程需求，可对模型进行简化处理；（5）充分考虑制造设计因素，提高可制造性；（6）发布前应通过检查。2.3 MBD 三维模型的建模要求MBD 三维模型是全三维设计的基础，根据模型类型可分为零件模型和装配模型两类，装配模型是由若干个零件模型或子装配模型组成。三维设计的过程也是 MBD三维模型数据集的创建过程，数据集既包含了产品的几何信息（几何拓扑信息和特征信息等）又包含了产品的非几何信息（如属性信息和三维标注信息等）。因此，MBD 三维模型的规范化至关重要，只有规范的模型才能保证数据的完整性、可读性和下游专业的可重用性。科技视界Science&Technology Vision71新技术应用NEW TECHNOLOGY APPLICATION参考 GB/T 24734 系列规范要求，船用动力系统 MBD三维模型的建模要求如下：（1）在建模前设置建模环境（软件环境和基本量纲）、建模比例（11）和坐标系；（2）模型具有并保持关联数据元素的功能，关联性信息能被获取；（3）模型具有用于表达关联数据元素信息的标注；（4）装配模型根据设计意图合理选择相应基准作为约束条件；（5）装配模型的装配结构树完整无冗余且逻辑层次清晰。3基于 MBD 的船用动力系统全三维设计信息管理探讨研究MBD 三维模型作为唯一的信息载体，涵盖设计、加工制造等所需的全部信息，而设计信息又是加工制造的前提和关键，因此在全三维设计过程中，MBD 三维模型数据信息的管理极其重要，直接决定全三维设计的有效性。在动力系统全三维设计过程中，通过解决模型信息难以提取和表达、视图表达不清晰、出图流程复杂等问题，实现 MBD 三维模型设计信息在“创建提取表达发布”的全流程管理，见图 1。其中，基于 CREO 平台完成管件库、设备库、管路库、总装库的创建，保证了模型设计信息创建的一致性以及数据库维护的有效性；利用 MBD 三维模型特征的明确父子关系以及唯一特征标识号（ID），保证了设计信息提取的准确性；通过完善的全三维标注和视图管理机制，保证了设计信息表达的条理性；发布的设计结果，模型树、细节树和绘图树涵盖了用于表达设计的全部必要信息。3.1 基于 MBD 的动力系统全三维设计过程简介本文以 CREO 平台为例开展基于 MBD 的船用领域动力系统全三维设计信息管理，对设计过程中的主要信息流进行管理，主要包括三维模型信息管理和设计结果的信息管理。311设计平台动力系统全三维设计采用 CREO 平台，通过设置配置文件和建模模板以保证设计人员在相同的软件环境中开展设计，设置模型单位以保证三维模型的量纲一致性，设置工作目录以规范设计信息的读取与储存。动力系统全三维设计过程中涉及专业众多，对于部分没有 CREO平台的专业，采用以通用格式进行信息交互。312MBD 三维模型创建MBD 三维模型创建过程中，根据实际工程需求，将动力系统三维模型分为含参零件模型、通用格式模型、系统管路模型和总体布置模型。其中，含参零件模型采用实体建模，以小型设备、支承结构和需系列化设计的管路附件等部件为主；通用格式模型多以 stp 和 iges 等通用格式导入，可根据其复杂度和三维设计需求转化为零件模型或者装配模型；系统管路模型和总体布置模型均为装配模型。为了使其三维模型涵盖所有设计信息，需对三维模型添加特征、标注和属性等相关设计信息，并对相关设计信息进行提取和管理，实现 MBD 三维模型的信息管理。313信息发布MBD 三维模型创建完成后，根据输出需要可分为二维发布和三维发布两类，实现设计结果的信息管理。具体设计过程见图 2。信息创建信息发布信息表达信息提取管件库总装库管路库设备库零件模型装配模型装配模型父子关系三维发布全三维标注多视图管理二维发布模型树绘图树细节树特征标识号（ID）细节树注释平面零件模型零件模型装配模型图1 全三维设计流程信息管理示意图CIENCE&TECHNOLOGY VISION72科技视界科技视界SScience&Technology Vision3.2 MBD 三维模型信息管理船用领域动力系统全三维设计中 MBD 三维模型的信息分为几何拓扑信息、特征信息、属性信息和三维标注信息，具体见表 1。为保证模型信息的完整性、易用性及直观性，需实现对相关信息的提取、表达及管理。表1 MBD三维模型信息类别及内容类别内容几何拓扑信息用于表达几何间关系设备的相对位置、系统管路的空间走向、部件外形、接口位置等特征信息用于表达特征的分析结果信息坐标、重量、体积、面积等属性信息用于表达非几何信息名称、编号、材料和说明等三维标注信息几何拓扑、特征、属性信息的注释321模型信息提取模型信息提取是 MBD 三维模型信息管理的基础，主要为几何拓扑信息、特征信息和属性信息。模型是由各类具有清晰父子关系的特征组成，即每个特征都基于先前的特征并可参考先前特征中的任何一个，从而能够使设计意图被构建到模型中。每个特征都有自己固定不变的特征标识号（ID），通过对 ID 的查找、筛选实现模型信息的提取。在模型信息提取的过程中，通过“分析”“工具”等功能完成模型信息的初步筛选，并以参数形式存储在模型树特征或直接存储在参数工具表中，再根据模型的特征标识号利用“&（取地址符号）”获取所需参数信息。除上述提取方法外，几何拓扑信息还可利用“显示注释”功能完成模型信息中的尺寸参数的筛选、储存，并可用于三维标注。其中，管路模型相关信息（管道长度、管道折弯、管路附件、密度、材料等），可通过的“管道信息”功能生成文本文件，用于汇总管道长度、物料组成和折弯位置等信息，为管路模型设计信息（材料清单、重量汇总表等）的一键输出奠定基础。322全三维标注及多视图管理全三维标注是模型设计信息表达的重要方式。其中，几何拓扑信息的三维标注包括有基本尺寸标注和补充标注，补充标注包括有几何拓扑尺寸、尺寸标注符号（直径、半径、深度、斜度等）、几何公差、基准特征和表面粗糙度等信息。多视图管理是模型设计信息有效表达的重要方法。为了规范三维标注，避免信息拥挤、界面混乱、标注重叠等现象，可通过定义多个“注释平面”合理分配各视图的标注信息，几何拓扑信息需标注在能表征几何体的注释平面，如用于表达直径的注释标注在 top 注释平面、用于表达高度的注释标注在 front 注释平面，用于表达特征信息和属性信息的文字注释标注在 flat to screen 注释平面。同时，模型的所有标注信息均可进行批量显示与隐藏，根据需求可实现不同信息的视图展示，解决了视图表达不清晰、信息表达干涉重叠的问题。323小结MBD 三维模型的设计信息管理包括有模型信息和三维标注信息管理两类，主要通过“模型树”“细节树”和“参数”3 个功能实现的，信息可更新修改。其中，“模型树”中包括有基准平面、坐标系、草绘、零件模型的几何体、选用三维软件设置环境参数创建数据集通用格式模型含参零件模型配置、模板单位管理目录设置确定坐标系优化模型信息添加模型属性添加三维标注添加三维标注添加说明信息管路模型创建管线库创建管件库总体布置模型模型检查模型发布三维发布添加图纸注释创建绘图格式管路模型有误总体布置模型有误模型确认无误工程图检查合格不合格生成工程图二维发布修改零件模型有误图2 基于MBD的动力系统全三维设计过程示意图科技视界Science&Technology Vision73新技术应用NEW TECHNOLOGY APPLICATION装配模型的装配逻辑关系以及分析等信息，主要用于几何拓扑信息和特征信息的管理，“细节树”用于尺寸、几何公差、基准特征、表面粗糙度、注解等全部三维标注信息的管理；“参数”主要用于自定义添加的属性信息管理。系列化设计的含参零件模型（如弯头、三通、大小头等）利用“族表”功能实现，并通过此功能实现对系列化设计尺寸信息的管理。管路模型中管道设计利用“管线库”文件进行驱动，并通过此文件实现对管道的外径、壁厚、折弯、重量、设计规则和自定义属性等信息的管理。通用格式零件模型的质量相关信息利用“质量属性”进行设定和管理。3.3 设计结果信息管理MBD 三维模型设计完成后，设计结果输出可选用二维发布和三维发布。其中，三维发布需经过模型检查，确认无误后可直接设计输出；二维发布需在三维发布的基础上，在同一平台按规定格式生成工程图并检查，确认无误后可直接设计输出。331三维发布MBD 模型完成后，需对照“模型树”和“细节树”完成几何拓扑信息、特征信息、属性信息和三维标注信息的核对检查，确认上述信息足以表达 MBD 模型设计意图后可直接发布。332二维发布二维发布在三维发布的基础，在“绘图”模式中补充工程图必要信息后对照“模型树”和“绘图树”进行核对检查，确认无误后可直接零修改二维发布。其中，二维视图为 MBD 三维模型的二维投影，二维标注直接提取模型的设计信息，均无须二次修改。4实例为验证本文研究内容，本节按照前文提出的全三维设计过程，开展动力系统试验台架总体布置全三维设计信息管理。4.1 系统管路模型设计信息管理系统管路模型作为动力系统试验台架的子装配模型，是动力系统试验台架 MBD 三维模型的重要组成部分。系统管路模型是由管道、阀门、三通、管座、流量计、支吊架等组成的装配模型。根据组成零件的特点，采用含参零件模型和通用格式模型两类方式完成零件级的 MBD三维模型创建。最终发布的系统管路模型是在管道模型的基础上逐个装配其他零件模型，并补充了用于表达系统管路空间走向的尺寸信息、用于表达系统管路起终点的坐标信息、用于表达管道材料信息以及需要符号说明的非几何信息等三维标注。见表 2。表2 系统管路模型设计信息表模型名称类型所含信息信息管理管道含参零件模型外径、壁厚、弯曲半径、材料、设计温度和压力、保温层厚度等管线库弯头、三通、管座等含参零件模型外形尺寸、材料、编号、设计温度和压力等模型树、族表、参数阀门、流量计等通用格式零件模型材料、规格、编号、重量和电气仪表接口等参数、质量属性、模型树支吊架通用格式零件模型材料、规格、编号、重量和功能等参数、质量属性系统管路装配模型尺寸、坐标、说明、重量等信息以及三维标注模型树、细节树、参数、质量属性系统管路模型遵循了本文提出的全三维设计过程，包含的几何拓扑信息、特征信息、属性信息和三维标注信息完整且可更新修改，以管道设计为主体，按系统工艺要求完成了管路附件的装配，逻辑关系合理且充分考虑工程实际情况，满足建模要求，见图 3。二维发布在三维发布的基础上，根据工程图出图要求，通过读取三维标注信息获得二维标注所需信息参数。其中，二维工程图的“绘图树”的“模型：ad”尺寸标注与三维模型的“细节树”的“ad”尺寸标注采用同一数据源；二维工程图的 BOM 表中的元件信息（包含名称、规格、编号、材料等信息）与三维模型的模型树中元件参数采用同一数据源，并通过球标实现 BOM 表与元件的对应。二维发布中采用的数据与三维发布一致，满足出图要求，见图 4。4.2 总体布置模型设计信息管理在系统管路模型的基础上，完成设备零件模型和结构通用格式模型的装配，补充用于表达设备与结构之间的相对平面定位的尺寸信息、用于表达各部件标高的纵CIENCE&TECHNOLOGY VISION74科技视界科技视界SScience&Technology Vision（a）模型树（b）细节树（c）MBD三维模型图3 管道模型三维发布及信息管理图4 管路模型二维发布（b）二维工程图（a）绘图树坐标信息、用于表达布置说明以及需要符号说明的非几何信息等三维标注，即可获得动力系统试验台架总体布置模型，见图 5。动力系统试验台架总体布置与系统管路模型同属装配模型，均可实现全三维设计及信息管理。5结论本文针对动力系统全三维设计中存在的模型信息难以表达和提取、视图表达不清晰、出图流程复杂等主要问题，利用单一数据源的设计理念，通过设计信息提取、全三维标注、多视图管理、零修改二维出图等技术开展全三维设计信息管理研究。以 CREO 平台为例，通过建立设计信息提取方法和获取流程，实现模型设计信息的快速提取，为设计信息（材料表、重量等）的一键输出奠定基础；通过建立视图管理机制，实现对模型注释信息的控制，解决了视图表达不清晰、信息表达干涉重叠的问题；通过建立零修改二维出图设计流程，实现三维模型直接出科技视界Science&Technology Vision75新技术应用NEW TECHNOLOGY APPLICATION二维图纸，解决了出图流程复杂、工作量大的问题。本文借鉴国际航空设计领域中广泛应用的 MBD 技术，并将其应用于船用领域动力系统全三维设计，解决了影响船用动力系统三维数字化设计进展的主要问题，提升了船用动力系统三维数字化设计程度。参考文献1 王忠生，盛楠.三维数字化设计制造技术的关键问题探讨 J.赤峰学院学报（自然科学版），2017，33（10）：34-35.2 刘检华，孙连胜，张旭，等.三维数字化设计制造技术内涵及关键问题 J.计算机集成制造系统，2014，20（3）：494-504.3徐圣，刘晓明，姚小虎，等.基于MBD的飞机数字化定义技术J.科技创新导报，2011（27）：48-49.4 冯潼能，王铮阳，孟静晖.MBD 技术在数字化协同制造中的应用与展望 J.南京航空航天大学学报，2012，44（增 1）：132-137.5 安鲁陵，金霞.基于三维模型定义技术应用的思考 J.航空制造技术，2011（12）：45-47.6 黄超南.基于 MBD 的设计信息管理方法研究 D.青岛：山东科技大学，2021.7 李健，邱明星，苏媛媛，等.MBD 技术在航空发动机设计中的应用 J.航空发动机，2015，41（1）：32-35.8 辛宇鹏.面向三维数字化制造的机加工艺设计与优化技术研究D.西安：西北工业大学，2015.9 潘康华.基于 MBD 的机械产品三维设计标准关键技术与应用研究 D.北京：中国机械科学研究总院，2012.10 周超，张树生，邵立，等.面向三维工序数模构建的特征标注方法研究 J.工具技术，2014，48（8）：77-81.11 高妮萍.基于 MBD 的三维模型设计信息标注系统 D.西安：西安工业大学，2014.12 胡祥涛，程五四，陈兴玉，等.基于 MBD 的产品信息全三维标注方法J.华中科技大学学报（自然科学版），2012，40（增2）：60-63.13 杨牛.面向 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