基于骨架主模型的导弹结构数字化设计技术研究

基于骨架主模型的导弹结构数字化设计技术研究

李福祥

贵州航天风华精密设备有限公司  贵州贵阳  550009

摘要：导弹结构数字化样机是对导弹结构信息的完整描述。本文基于骨架主模型对导弹结构设计技术进行研究，包括基于骨架主模型的自顶向下设计、基于主模型的导弹结构资源库建库、骨架模型的参数化与知识化设计等，将专业的结构设计知识融入到设计平台中，提高了数字化设计技术在导弹结构设计工作中的应用水平。

关键词：导弹结构主模型、自顶向下、结构设计资源库、参数化及知识化设计

0 引言

数字化设计与制造技术在制造业的应用越发广泛，导弹研发、制造模式正在发生根本性变化。传统的研制模式难以满足严酷环境条件下导弹结构轻质化、一体化、小型化的快速研制要求[1]。将基于模型定义的数字化技术引入导弹结构设计中，是缩短研制周期、提高产品质量的重要手段。通过建立导弹结构MBD模型，实现导弹数字化装配，为导弹结构设计制造协同提供支撑。本文在MBD技术的基础上讨论导弹结构数字化装配及设计制造协同，建立导弹结构相关设计流程，有利于缩短研制周期。

原有的导弹结构设计流程繁琐，设计信息（尺寸、外形、接口及其它要求等）传递多以二维文件或二维图纸的形式进行，如发生设计或协调更改需同时对多份文件进行变动，容易导致漏改、错改等问题产生。

骨架主模型是基于产品结构骨架的三维模型。在导弹结构设计流程中，通过引入骨架主模型，将设计过程中传递的设计信息三维化，实现基于三维模型的信息关联、传递及变更，达到简化设计流程提高效率的目的。

1 导弹结构骨架主模型的定义

根据层级的不同，骨架主模型分为总体级和部件级两类。

总体级骨架主模型是指在导弹结构总体设计及装配设计阶段，依据导弹总体、气动、电气、发射等专业的设计输入，将导弹的总体结构布局、外形、接口约束、参考基准及其定义等抽象出来，并利用空间的点、线、面及参数草图等构建出来，能够反映导弹结构的空间布局，零部件间的空间位置形状、拓扑关系和装配关联关系等要求的空间线框三维模型。

除总体级骨架主模型外，在进行导弹部件设计时，将部件结构布局、部件接口关系、参考基准及定义抽象出来，利用空间的点、线、面及参数草图等构建出来，能够反映结构部件的空间布局，零件间的空间位置形状、拓扑关系和装配关联关系等要求的空间线框三维模型属于部件级的骨架主模型，具体如图1所示。

图1.骨架主模型示意图

2 基于骨架主模型的自顶向下设计

导弹结构旧的设计模式是基于零件模型的自底向上设计，首先进行各结构零件的设计建模，再进行全弹的装配设计及分析。

自底向上设计方法的缺点包括：

a)各零件模型的坐标系容易存在不一致，不利于结构的质量特性分析；

b)装配工作量大，装配关系为复杂的网状结构，更改困难；

c)不利于实现全弹结构的协同设计，设计迭代慢、时间长；

d)难以实现快速的结构布局变更及优化。

基于骨架主模型的自顶向下设计首先依据设计输入进行导弹结构总体装配设计（包括舱段对接、设备安装、支撑吊挂等），建立总体级骨架主模型；再进行各部件装配设计（包含部件内零部件的装配、设备安装、线缆敷设等），建立部件骨架模型，建立总体级骨架主模型与部件级骨架主模型的一一对应装配关系；最后进行部件以下各零部件的结构详细设计，建立各零部件与所属部件骨架主模型的一一对应装配关系。

自底向上设计与自顶向下设计的装配关系对比见图2。

图2.设计模式变更示意图

如图2所示，基于骨架主模型的自顶向下设计简化了原有自底向上设计的复杂装配关系，将复杂的网状装配约束变为树状的层级装配，能够通过骨架模型的参数化更改实现整个导弹结构模型的快速变更；同时，利于实现导弹各部、零件的协同并行设计，提高设计效率[2]，节省设计时间。

3 基于主模型的导弹结构设计资源库

导弹结构设计具有专业化的特点，常涉及专业的、典型的结构特征、机构设计，如舱段各种连接特征、操纵机构样式、舵面折叠机构形式等，同时又需要标准件、常用件、标准文件模板、结构材料库等（如图3所示）。目前，大多数三维设计软件属于通用性软件，只提供了基础性的工具和功能，对于导弹结构专业化设计的资源需求支撑不足，导致了在结构设计工作中大量重复性设计工作（例如标准件建模、常用的多规格零件建模等），降低了工作效率。

图3.导弹结构设计资源库组成示意图

为解决上述问题，提出基于主模型的导弹结构设计资源库，通过基于尺寸约束的参数化设计，通过尺寸及相关约束来控制模型的结构，通过参数公式将参数与尺寸建立关联，实现参数变化控制主模型结构尺寸的变化，实现基于一个主模型的多规格零部件实例化设计（如图4）。

图4.某主模型零件的参数化建模及入库

4骨架主模型的参数化及知识化设计

骨架主模型作为导弹结构设计中各类设计信息的载体，在实现信息传递、共享和继承的同时，还要通过设计信息变更来驱动下级骨架模型或零部件结构模型的更改，达到一处更改相关模型自动更改的目的，使模型之间具有协同性。同时，为提高结构设计质量，将相关的设计经验、设计规则等知识融入到模型中，能够避免设计错误或设计不合理的情况。

为满足上述需求，骨架主模型及相关模型需实现参数化及知识化建模。如图5所示，将导弹结构专业化的设计知识通过几何约束、设计变量约束及设计变量关联关系（如图6所示）的方式融入到三维模型中，将知识与三维模型关联起来，通过设计变量、设计变量约束等来驱动控制模型的修改、局部调整和细化。最后通过模型实现结构、设计意图的变更和传递，完成模型的参数化设计过程，实现模型的变更设计。

图5.参数化、知识化的三维模型结构示意图

图6.知识表达示意图

5结语

本文分析了导弹结构设计流程及特点，研究了导弹结构样机骨架主模型的自顶向下装配设计、基于主模型的导弹结构设计资源库等建模技术，将专业设计知识、规则融入结构样机建模过程中，为导弹结构基于全三维模型的数字化设计、分析及生产奠定了基础。

参考文献：

[1]王 凯，李柏林，陈黎丽等. 基于知识的自顶向下参数化设计与应用［J］.制造业自动化，2009，31（9）:163-165.

[2]王先逵，许忠信，雷玉田等. 自顶向下的产品装配建模系统研究与实现［J］．清华大学学报( 自然科学版)，1998，38(8):12-14．

作者简介：李福祥（1968-），男，贵州遵义人，贵州航天风华高级工程师，主要研究方向为结构设计与机械加工工艺