產(chǎn)品數(shù)字化建模意味著整個產(chǎn)品生命周期中，產(chǎn)品不同階段的信息可以數(shù)字化展示、處理和交換。數(shù)字化建模技術(shù)在產(chǎn)品的設(shè)計制造中占有極其重要的地位，是產(chǎn)品開發(fā)的重要手段，隨著三維CAD設(shè)計軟件的普遍使用，數(shù)字化建模技術(shù)已逐漸成熟完善，但隨著MBD技術(shù)在飛機研制中的應(yīng)用，產(chǎn)品數(shù)字化建模技術(shù)的內(nèi)涵在不斷地豐富和擴展。

一個完整的數(shù)據(jù)模型是所有幾何信息和非幾何制造信息的集合體，它包含了3個基本因素：第一個是產(chǎn)品生命周期的不同階段屬性信息和特征的集成；第二個是產(chǎn)品屬性信息及形狀、特征、尺寸、公差能夠數(shù)字化表達、處理和轉(zhuǎn)換；第三個因素就是集成化的模型應(yīng)該在分布式環(huán)境下管理，便于協(xié)同設(shè)計，三維實體模型能夠作為生產(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù)。

MBD技術(shù)促使CAD/CAM與PDM/PLM的結(jié)合越來越緊密，產(chǎn)品的數(shù)字化建模技術(shù)的概念也擴展為3個層次：最低層是產(chǎn)品數(shù)字化模型數(shù)據(jù)，中間層是產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)的數(shù)字化轉(zhuǎn)換，最頂層是產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。MBD技術(shù)的應(yīng)用不僅僅是在產(chǎn)品設(shè)計中建立數(shù)字模型，而是要建立一個面向產(chǎn)品PLM協(xié)同研制的基于MBD模型的數(shù)字化技術(shù)體系，建立基于MBD模型的單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的分布式、動態(tài)協(xié)同工作環(huán)境，用于支撐整個供應(yīng)鏈的相關(guān)設(shè)計、制造單位（部門）的高效協(xié)同工作，確保產(chǎn)品研制數(shù)據(jù)的一致性、有效性、安全性、完整性和可追溯性。

1. 數(shù)字化建模的發(fā)展歷程
產(chǎn)品數(shù)字化建模技術(shù)源于幾何圖形化建模技術(shù)，20世紀50年代至今，幾何建模技術(shù)經(jīng)歷了線框造型、曲面造型、實體造型3個階段。線框造型與曲面造型因其自身的缺點無法滿足工程需要，隨著計算機技術(shù)的不斷進步，很快被實體造型取代。實體造型是20世紀70年代開始發(fā)展起來的一門新的造型技術(shù)，比曲面造型增加了三維體的實心部分的表達，得到了三維形體的無二義性描述，能夠在一個完整的幾何模型上實現(xiàn)零件的質(zhì)量計算、有限元分析、數(shù)控加工和消隱渲染圖的生成。20世紀90年代，美國PTC公司在實體造型的基礎(chǔ)上引入?yún)?shù)化特征造型技術(shù)，將幾何建模技術(shù)推到一個新階段。目前，主流CAD軟件均采用參數(shù)化特征造型作為主要的幾何建模手段。參數(shù)化特征建模多局限于零件建模本身，對于具有復(fù)雜裝配結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，零件間的參數(shù)化很難驅(qū)動，在參數(shù)化建模原理上引入關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)，開發(fā)出與CATIA無縫集成的VPM（Virtual Product Management）產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，在全三維設(shè)計過程中，通過建立模型之間的相互依賴關(guān)系，從而實現(xiàn)飛機研制中上下游專業(yè)設(shè)計輸入與設(shè)計輸出之間的影響、控制和約束關(guān)系。此階段雖然實現(xiàn)了三維的關(guān)聯(lián)設(shè)計，但在建模過程的最后仍然要從三維模型投影生成二維工程圖，存在巨大的工時浪費和更改管理困難。在21世紀初，美國機械工程的協(xié)助下開始有關(guān)MBD標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定工作，并于2003年使之成為美國國家標(biāo)準(zhǔn)（ASME Y14.41-2003)，隨后CAD把此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計到工程軟件中。在經(jīng)過737-NX型號中初步應(yīng)用MBD技術(shù)后，2004年開始在787客機的設(shè)計和制造中全面應(yīng)用MBD技術(shù)，并通過開發(fā)系列化建模工具，將參數(shù)化與知識工程融合，將全三維數(shù)字化建模技術(shù)推向更高的應(yīng)用程度，徹底擺脫二維工程圖紙，真正的實現(xiàn)了向三維數(shù)字化設(shè)計制造一體化轉(zhuǎn)變。

2. CATIA環(huán)境下數(shù)字化建模的方法
CATIA以其先進的混合建模技術(shù)、在整個產(chǎn)品周期內(nèi)的方便的修改能力、所有模塊的相關(guān)性和并行的設(shè)計環(huán)境使得它能支持從概念設(shè)計到產(chǎn)品實現(xiàn)的全過程,它也是世界上第一個實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字樣機開發(fā)的軟件,是全球航空業(yè)界普遍使用的一個集成產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。飛機自身特點決定了其在產(chǎn)品設(shè)計上具有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件數(shù)量龐大、材料種類繁多、產(chǎn)品制造上具有工藝專業(yè)種類多等特點。CATIA針對不同工藝類型的零件如：機加件、鈑金件、復(fù)合材料件、管路件等開發(fā)了不同的模塊來滿足不同的數(shù)字化工藝制造要求。對于不同的零件，設(shè)計者采用不同的建模方法和建模思路關(guān)系到零件數(shù)字化的過程，影響著產(chǎn)品的開發(fā)效率。CATIA環(huán)境下建模方法主要有以下6種：

（1）正向設(shè)計。這是常規(guī)設(shè)計中使用最多的一種方法，設(shè)計者根據(jù)經(jīng)驗，按照建模規(guī)范逐步建模，根據(jù)不同的成形工藝，模型可以是表面模型或者實體模型，要求設(shè)計尺寸精確，以滿足數(shù)字化制造要求。傳統(tǒng)情況下要根據(jù)投影關(guān)系利用CATIA工程圖模塊繪制二維工程圖，MBD模式下只要在三維數(shù)模上利用CATIA三維標(biāo)注模塊完成相關(guān)尺寸及公差等標(biāo)注，三維模型直接作為制造的唯一依據(jù)。

（2）逆向工程。它是將實物轉(zhuǎn)變?yōu)槿S模型的相關(guān)數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱，即將已有產(chǎn)品或?qū)嵨锬Ｐ娃D(zhuǎn)化為工程設(shè)計模型和概念模型，在此基礎(chǔ)上對已有產(chǎn)品進行解剖、深化和再創(chuàng)造，是一種以實物（油泥模型）為基礎(chǔ)產(chǎn)生三維數(shù)據(jù)的設(shè)計過程，這一建模技術(shù)早期在我國飛機、汽車、機械產(chǎn)品的仿制中普遍使用，是產(chǎn)品設(shè)計的初級形式，該技術(shù)帶動了三維CAD軟件的廣泛使用，推動了這些行業(yè)的快速發(fā)展。

（3）標(biāo)準(zhǔn)件建模。隨著工業(yè)的發(fā)展，有一部分零件已經(jīng)被標(biāo)準(zhǔn)化，形成了國標(biāo)、航標(biāo)等標(biāo)準(zhǔn)件，這類零件可以利用CATIA的標(biāo)準(zhǔn)件庫模塊一次建模、重復(fù)引用，從而節(jié)約建模時間，加快設(shè)計進度。

（4）參數(shù)化設(shè)計。就是將模型中的定量信息參數(shù)化，建立圖形約束和幾何關(guān)系與尺寸參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，通過改動圖形的一個或多個尺寸或是修改已定義的零件參數(shù)，自動地響應(yīng)對圖形中相關(guān)部分尺寸的變動，從而完成對圖形的驅(qū)動。

（5）二次開發(fā)建模。CATIA為了滿足不同用戶的使用需求，給用戶預(yù)留了進行二次開發(fā)的接口，CAA（Component Application Architecture，組件應(yīng)用架構(gòu)）為用戶提供了一系列開發(fā)工具，用以實現(xiàn)宏程序執(zhí)行、幾何形體生成等功能。MBD技術(shù)的應(yīng)用將產(chǎn)品的參數(shù)化和二次開發(fā)建模技術(shù)融合并提升到智能設(shè)計階段，在設(shè)計中融入更多的工程知識和規(guī)則，實現(xiàn)更高層次上的數(shù)字化建模。

（6）關(guān)聯(lián)設(shè)計。在三維設(shè)計過程中，通過參數(shù)化設(shè)計技術(shù)建立模型之間的相互依賴關(guān)系，從而實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計中上下游專業(yè)設(shè)計輸入與設(shè)計輸出之間的影響、控制和約束關(guān)系。關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)把單個零件的參數(shù)化建模技術(shù)上升為模型和模型之間的幾何元素的驅(qū)動關(guān)系，是目前國內(nèi)外飛機研制的最新的、主要的建模方法，使飛機的研制流程從串行研制模式向并行協(xié)同的關(guān)聯(lián)設(shè)計模式轉(zhuǎn)變。

3. 基于VPM的關(guān)聯(lián)建模技術(shù)
關(guān)聯(lián)設(shè)計是數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用到一定水平、數(shù)字化設(shè)計和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理高度融合的結(jié)果。波音把關(guān)聯(lián)設(shè)計列為B787飛機研制十大技術(shù)成果的第一位，足見關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)在飛機研制數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用中的重要性。ENOVIA VPM為實施基于CATIA V5的在線關(guān)聯(lián)設(shè)計而搭建的協(xié)同平臺，其關(guān)聯(lián)設(shè)計主要基于以下技術(shù)實現(xiàn)：

（1）參數(shù)化建模：創(chuàng)造一個零件的幾何變量或參數(shù)使用；

（2）關(guān)聯(lián)建模：在不同的數(shù)據(jù)模型之間建立鏈接；

（3）在配置的環(huán)境中進行在線設(shè)計。

VPM環(huán)境下，提供以下幾種工具實現(xiàn)關(guān)聯(lián)設(shè)計：

（1）Reference to Reference，這是在兩個CATIA文件之間的鏈接，這些鏈接只考慮到幾何之間的關(guān)系，但不考慮零件在某一個特定產(chǎn)品中的相對定位。如在進行螺母螺釘?shù)脑O(shè)計時，允許在設(shè)置螺母直徑時，將其與螺釘直徑建立關(guān)系。這樣如果修改了驅(qū)動兩個元素之一，其直徑將自動更改。

（2）Instance to Instance，在一個產(chǎn)品的實例之間的相對定位的鏈接，沒有驅(qū)動幾何，適合于裝配約束。設(shè)計一個螺栓，實例實例鏈接提供設(shè)計員設(shè)置螺栓螺母的相對位置。可以建立同軸度和螺母和螺栓頭之間的距離限制。如果移動其中一個元素，另外一個元素將遵循并保持在正確的相對位置。

（3）Instance to Reference，這個類型的鏈接既考慮到了模型幾何之間的鏈接關(guān)系，又考慮到了零件之間的位置關(guān)系。這種關(guān)系就是講前面2種關(guān)系的組合使用，在關(guān)聯(lián)設(shè)計中骨架模型與零件之間的聯(lián)系就是此種鏈接。

飛機設(shè)計過程是一個不斷更改和迭代的過程，上游設(shè)計的更改往往會引起下游設(shè)計的更改，在VPM環(huán)境下可通過以上手段建立骨架模型，把模型的參數(shù)化設(shè)計上升為模型和模型之間的幾何元素的驅(qū)動關(guān)系，設(shè)計更改通過骨架模型自上向下傳遞，最后驅(qū)動零件模型的更改。飛機研制過程中，必須在概念研制階段就制定詳細的關(guān)聯(lián)設(shè)計規(guī)劃，根據(jù)型號的特點，對結(jié)構(gòu)進行合理的組織和劃分，總結(jié)和梳理出對象各部分之間的相互影響關(guān)系，建立上下游設(shè)計之間的約束和控制關(guān)系，以形成產(chǎn)品骨架模型合理的層次關(guān)系，使得骨架之間的影響關(guān)系易于控制。骨架模型作為關(guān)聯(lián)設(shè)計的神經(jīng)中樞，驅(qū)動著下游的零件設(shè)計，骨架模型劃分的是否合理，將決定自上向下關(guān)聯(lián)設(shè)計的成與敗。骨架模型劃分的合理，數(shù)據(jù)更新在各層級骨架模型間實現(xiàn)順利傳遞，并最終驅(qū)動零件數(shù)據(jù)更新；骨架模型劃分不合理，可能會導(dǎo)致某些骨架過于龐大、骨架模型載入緩慢，發(fā)布元素結(jié)構(gòu)樹很難管理，元素不集中，設(shè)計員不易查找、調(diào)用，影響設(shè)計效率，骨架模型維護困難，嚴重的可能導(dǎo)致下游數(shù)據(jù)無法更新。

4. 機加、鈑金件全三維數(shù)字化建模技術(shù)
機加、鈑金零件的幾何模型既是運動仿真的前提，也是進行有限元等分析的必要條件，更是工藝和數(shù)控編程等制造過程的基礎(chǔ)。目前國內(nèi)外飛機設(shè)計制造領(lǐng)域，機加、鈑金類的金屬零件已率先實現(xiàn)了在CATIA環(huán)境下的全三維數(shù)據(jù)集定義，三維模型完全取代了傳統(tǒng)的工程圖紙，實現(xiàn)了無紙化設(shè)計制造。MBD模式下零件的建模不僅要考慮建模的順序及品質(zhì)達到工藝及數(shù)字化加工的要求，而且要考慮建模的效率，還要兼顧設(shè)計和制造之間數(shù)字化傳遞數(shù)據(jù)的管理問題。建模的基本技巧和規(guī)范只是最基本的建模技術(shù)，全三維模式下不但要充分利用好參數(shù)化的特征定義與控制，利用好三維模型的表現(xiàn)力，更好、更準(zhǔn)確地表達設(shè)計意圖，更要充分利用知識工程模塊，實現(xiàn)建模智能化，使工程信息的抽取和知識的挖掘變的更為容易。

MBD模式下參數(shù)化建模包含2個方面內(nèi)容：

（1）幾何信息的參數(shù)化建模。

幾何信息主要包括零件實體、工程幾何、外部參考和構(gòu)造幾何等。對幾何信息的操作主要是對參數(shù)的操作，首先應(yīng)該對零件參數(shù)進行分析，目的在于對零件參數(shù)進行分類，并在零件參數(shù)中提取能直接驅(qū)動結(jié)構(gòu)的主參數(shù)。這些參數(shù)可以分為3種類型：一類是不變參數(shù)，它是指在零件的各種變型中始終保持不變的參數(shù)。第二類是可變參數(shù)，是指在零件的各種變型中可以改變的參數(shù)。還有一類是導(dǎo)出參數(shù)，是指由其他參數(shù)計算出來的參數(shù)。

（2）非幾何信息的參數(shù)化建模。

非幾何信息主要有通用說明、零件說明、標(biāo)注說明、材料描述、基準(zhǔn)、尺寸和公差標(biāo)注、管理信息等。

MBD模式下基于特征的參數(shù)化建模必須綜合考慮幾何信息和非幾何信息的參數(shù)化，充分利用CATIA提供的KWA（知識顧問）、KWE（知識專家）、PKT（知識模板）等知識工程應(yīng)用手段，借助CATIA先進的CAA二次開發(fā)工具,將設(shè)計過程中的設(shè)計準(zhǔn)則、規(guī)范、原理、經(jīng)驗等采用IF-THEN形式表達,建立相應(yīng)設(shè)計規(guī)則庫,存儲大量的設(shè)計規(guī)則、設(shè)計規(guī)范、設(shè)計原理和設(shè)計經(jīng)驗,組成企業(yè)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)庫。

圖1是某型號飛機的全機結(jié)構(gòu)電子樣機，圖中的機體結(jié)構(gòu)件多為具有相似特征的機加、鈑金件。通過分析結(jié)構(gòu)件特點、整理結(jié)構(gòu)件信息，總結(jié)典型特征，將不同系列的典型結(jié)構(gòu)件模板模型參數(shù)化，即在結(jié)構(gòu)模板基礎(chǔ)上，用一組參數(shù)與一系列基準(zhǔn)要素來約束定義模型圖形，對于不同的幾何模型，可以通過修改參數(shù)，重新選取建模基準(zhǔn)驅(qū)動模板發(fā)生變化，達到參數(shù)化的目的，并通過特征拼接技術(shù)實現(xiàn)變型設(shè)計，提高建模的效率和規(guī)范性，這是當(dāng)今數(shù)字化建模的高級形式。


圖1 飛機主要結(jié)構(gòu)電子樣機

5. 標(biāo)準(zhǔn)件的數(shù)字化建模技術(shù)
在飛機機體裝配設(shè)計/制造過程中，需要定義及使用大量的標(biāo)準(zhǔn)件，通常標(biāo)準(zhǔn)件的數(shù)量占全機零件數(shù)量的80%左右，為了提高效率，航空企業(yè)普遍采用了CATIA或VPM提供的標(biāo)準(zhǔn)件庫功能，利用知識工程（KnowledgeWare）模塊中的Formular命令、Design Table命令以及Catalog命令功能進行參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)件建模。在建模時首先利用Formular命令建立參數(shù)，并為這些參數(shù)合理地命名，在建立模型時把這些參數(shù)同模型的主要尺寸關(guān)聯(lián)起來，之后利用Design Table的命令把這些模型參數(shù)存儲到表格中，最后將數(shù)據(jù)表格與模型同時入庫，也就是Catalog功能，在使用時實時利用表格之中的參數(shù)進行模型的驅(qū)動，生成新的模型，從而形成標(biāo)準(zhǔn)件的系列化和組合化，一次建模、重復(fù)引用。這種建模方法對實例化的標(biāo)準(zhǔn)件非常實用，大大提高了效率，一定程度上滿足了型號研制的需要。采用MBD技術(shù)后，標(biāo)準(zhǔn)件的使用方式發(fā)生了根本變化，如果全機所有標(biāo)準(zhǔn)件全部進行實例化引用，數(shù)據(jù)量巨大，設(shè)計員的重復(fù)工作很多，浪費時間，管理也不方便，因此出現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)件的簡化表達技術(shù)。

MBD模式下，標(biāo)準(zhǔn)件中的緊固件類標(biāo)準(zhǔn)件簡化表達通常采用點、線、圓組合的方式表達，點代表緊固件頭部的位置，線代表緊固件最終的長度和方向，圓代表螺母、墊圈、釘套的位置。在CATIA中采用幾何圖形集的形式來表達緊固件的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，幾何圖形集的名稱為緊固件的牌號和規(guī)格，幾何圖形集下以參數(shù)的形式對緊固件的名稱、重量、重心、規(guī)范及要求進行表達。因緊固件定義具有重復(fù)性，利用CATIA的CAA二次開發(fā)工具開發(fā)快速定義工具及簡化表達緊固件知識庫，簡化表達緊固件知識庫和實體標(biāo)準(zhǔn)件庫的的標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)應(yīng)相互關(guān)聯(lián)，為了便于電子樣機的干涉檢查，簡化表達的緊固件可以實時調(diào)用實體標(biāo)準(zhǔn)件庫的輕量化數(shù)模進行裝配檢查。緊固件定義采用知識推理的機制，根據(jù)連接面的距離，自動計算緊固件的長度，按照緊固件的關(guān)聯(lián)組合，自動進行緊固件的匹配選擇，并完成緊固件的信息提取、數(shù)量統(tǒng)計、牌號統(tǒng)計、以XML結(jié)構(gòu)化格式對緊固件BOM輸出、實現(xiàn)緊固件信息的集成和共享。

6. 結(jié)束語
隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和MBD技術(shù)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字化建模技術(shù)發(fā)生了翻天覆地的變化，本文簡要概述了數(shù)字化建模的發(fā)展階段，總結(jié)了當(dāng)今主要的數(shù)字化建模方法，闡述了MBD模式下關(guān)聯(lián)設(shè)計建模、機加和鈑金參數(shù)化建模、標(biāo)準(zhǔn)件建模的主要技術(shù)。在新時期、新研制模式下，如何快速、準(zhǔn)確、規(guī)范的完成產(chǎn)品的數(shù)據(jù)建模，并把數(shù)據(jù)模型作為制造的唯一依據(jù)已是航空企業(yè)為提高設(shè)計質(zhì)量，縮短設(shè)計周期、降低研制費用的有力武器，也是我們探索建模技術(shù)的方向，隨著數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用的廣度和深度不斷加強，數(shù)字化建模技術(shù)將更加智能化、知識化。