某型国防装备数字化信息化研发模式.pdf
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1、学术论文ARTICLES某型国防装备数字化信息化研发模式张丹马承振任洁琦宋廣玥郑晓东吕骁霖(中国航天科工集团二院7 0 6 所,北京,10 0 8 54)摘要:针对数字化信息化研制模式在某型国防装备研发的应用,本文首先介绍了数字化信息化研制模式出现背景,发展历程,应用方法和操作步骤以及为相关航天国防产品设计带来的提高设计质量,缩短研制周期,降低研制成本等方面的优化升级。文中围绕某型国防装备应用数字化信息化研制模式设计方法的实践对数字化信息化研制模式的方法和步骤进行了描述和分析。关键词:数字化信息化研制模式;CAD/CAM;MB D;虚拟样机1引言随着信息技术的不断发展,三维模型走上历史舞台,由
2、于能够直观地对产品进行展示、描述,这项技术自诞生之日起便具有旺盛的生命力。这是由于世界的存在是三维的,人们对世界的认识也是三维的,只是长期技术的限制,人们只能通过文档、图纸这种二维方式来表达。随着信息技术尤其是计算机软硬件的飞速发展数字化信息化研制模式的发展和应用也进入了加速阶段。在航天领域也在加速推广并逐渐取代传统设计方法。国防装备作为典型的复杂产品,研制过程品种多、一步推进MBD设计生产一体化项目。14Defense Manufacturing Technology|2022.06 第 2 期批量小,通常处于边设计、边研制、边生产制造状态,对研制技术水平、生产能力和过程管理提出较高要求。针
3、对新一代某型国防装备小体积、低功耗、轻质化等需求,应用数字化信息化研制模式进行产品研制模式的探索。根据院信息化责任令及新型数字化研制模式的需求,结合型号数字化信息化试点,探索产品三维设计生产一体化流程。我所主要进行了基于三维工程图的产品工艺,生产,装配,检验等相关流程建设,探索基于虚拟样机的研制过程。后续根据试点结果改进完善基于三维模型的设计、工艺及制造的研究,进2数字化信息化研制模式简介数字化信息化研制模式是基于虚拟样机的协同设计与仿真验证模式,以产品的虚拟样机为设计目标,以BOM为产品属性、装配关系和图纸文件等相关信息载体,以PDM为产品信息传输、处理和存储平台;实现产品全过程数字化设计与
4、全覆盖的虚拟验证,实现全生命周期的产品数据与技术状态管理,具有提高设计质量,缩短研制周期,降低研制成本的突出特点。3某型国防装备结构虚拟样机的设计方法和步骤应用CREO2.0,A NS Y S 等结构设计和仿真软件,利用所级统一设计基础资源库,按数字化信息化研制模式设计规范,自顶向下按TOP-DOWN模式构建某型国防装备结构虚拟样机。实现骨架模型、三维标注、三维布线、三维投产;依据任务要求和环境条件对结构虚拟样机进行仿真优化,实现无纸化设计,无纸化管理,无纸化生产装配。在所PDM构建型号产品全三维设计数据,包含自制件、标准件、外购件、材料等完整EBOM,满足PDM系统设计信息管理要求。3.1某
5、型国防装备虚拟样机创建步骤3.1.1设计流程及设计平台基于CREO2.0软件及其标准化配置,依据相关设计规范完成整机结构虚拟样机设计方案设计。然后通过方案设计中的三维模型展开热仿真分析、力学仿真分析、加工仿真及虚拟装配等工作,样机的主要设计工作及所使用设计平台如图1所示。产品计机城信构三推设CAO2000二地工程阳免计机加工艺瓷计电工艺瓷图13.1.2依据总体骨架模型设计师完成各组件和零部件的设计建模图2 骨架模型图3 零部件模型图4产品整件模型热分折薪售产品三设型纯装工艺片2022.06 第 2 期|Defense Manufacturing Technology3.1.3在PDM的设计工作
6、空间搭建产品模型BOM产品模型BOM反映了产品结构中部件与零件的自身信息、部件与零件之间的相互关系,以及部件和零件所涉及的外部资源信息。在本大纲中,将产品结构树理解为广义的BOM(物料清单),简称为BOM。在产品研制生产全生命周期中,对应于不同的应用领域,BOM可以分为设计BOM、工艺BOM以及制造BOM等。15学术论文ARTICLESBOM编制基本要求1)准确性要求:BOM应是面向产品功能的精确BOM,可正确反映产品的装配零部件的组成、零部件之间的关系。其中,图号、名称、层次结构、配套数量必须与设计图纸、明细表相符。2)完整性要求:BOM应体现产品组成所需的全部物料,物料包括与生产有关的所有
7、成品、半成品、在制品、原材料、配套件、外协(购)件、辅助材料等物品,如印制板、结构件、外购件、元器件、线缆等。3)EB O M:设计BOM,表示产品设计信息数据集,包括描述产品的设计属性和装配层次关系,如基本属性、三维模型、二维图样等。4)PB O M:工艺 BOM,在EBOM基础上,工艺设计部门依据专业分工(工艺特点)及相关信息,制定加工、装配工艺路线,确定产品生产流程(生产、装配顺序),反映产品物流过程及消耗数量,具有结构树形式的数据集。5)MB O M:制造BOM,生产制造部门以PBOM为基础,面向制造制定的包含工艺过程、工艺资源、人员设备、辅助材料、工时定额等制造属性的、具有树形结构的
8、数据集。CAD文档与Pro/E模型结构相匹配,模型中的每个装配体和零件都对应PDM系统中的一个CAD文档。系统自动找到已存在的与CAD文档编号相同的零部件,并建立零部件与CAD文档的关联;如果系统中不存在与CAD文档编号相同的零部件,则系统自动创建相同编号的零部件,并与CAD文档关联可以按照模型的装配结构自动生成各个层级的零部件,如图5所示。福口一一+ELOMER,SUPORTASV口WHELASMALEPRTBEARNGPRTDHUB.PRTTREPRT产品结构CAD文档结构图5产品BOM树16Defense Manufacturing Technology|2022.06 第 2 期3.1
9、.4机电协同设计在结构虚拟样机设计过程中,为提高设计效率,引入机电协同设计的模式。电路设计师提供完整的图7 所示电路板PCB文件上传至PDM,结构设计师能够通过电路设计中间文件快速实现三维电路板的设计,同时机电协同设计也有利于数据后期的维护与管理。图6 为机电协同技术流程,图7 为印刷电路版PCB图,图8 为机电协同设计三维模型。机电协同设计为产品结构设计和电子线路设计应用程序提供交互环境,实现结构和电路设计的快速沟通、设计共享、同步变更,避免不合理设计的发生,并为后续的力学、热学等仿真分析提供设计基础。基线FECAD基线图6 机电协同设计流程图7 电路板PCB图GOUF,CARTASMDOO
10、UF_CART_SKELPRT+LEGASMMUPPER,SUPPORT.ASMProVENGINEER模型MCAD增量式变更协作ECAD增量式变更图8 电路板三维模型验证审阅依据仿真设计前移的理念,即仿真分析不仅是要验证所设计方案的合理性,更进一步的是要指导设计师的设计,图9 所示为传统设计与仿真引领设计两种设计流程的对比。结构虚拟样机方案设计过程从力学仿真、热仿真、加工工艺过程仿真、虚拟装配工艺仿真等角度开展了相关设计工作,由于计算规模不大,仿真分析工作都在本地高配置工作站完成,尚未利用云资源计算中心资源。力学仿真分析:利用仿真分析软件Ansys对产品进行力学仿真分传统设计:设计仿真引领设
11、计:仿真图9 虚拟样机仿真步骤析,结构力学分析划分为以下三个部分:模态分析、加速度分析、随机振动分析。分析结果说明结构设计在强度和刚度是否满足使用要求,图10 所示为向施加3 5g加速度过载时的位移云图,表1为结构固有频率。热学仿真分析:015.30.00图10 力学仿真云图表1整机硬件热耗分布名称光纤陀螺仪石英加速计主机板电源变换板电源板滤波板模拟板采用有限元软件ANSYS对某型国防装备硬件的两种热工况进行了瞬态热仿真分析。依据某型国防装备硬件的结构模型、主机板、模拟板、电源板(包括滤波器板和电源变换板)等电路板及其相关元器件质量和功耗参数建立模型,运用有限元法,在给定的温度环境下计算主机板
12、、模拟板、电源板及惯性器件等的温度场响应和分布。计算结果表明,某型国防装备硬件通过热设计后满足任务书给定的高温环境条件下的工作要求。表2 整机零部件的物理参数名称材料制造试验设计制造ModeFrequency(Hzl1115.412.116.713120.044.148.445.166.866.200.63345.527.8.50.009.007500功耗(W)20.37121.42密度本体铝合金2 A12(kg/m)2770小本体铝合金2 A122770上盖板铝合金2 A122770下盖板铝合金2 A122770减振垫硅橡胶试验减振器套筒不锈钢减振器垫片不锈钢主机板板FR-4模拟板FR-4道
13、康宁导热胶胶陶瓷封装芯片陶瓷表3 整机零部件的物理参数名称材料本体铝合金2 A122770小本体铝合金2 A122770上盖板铝合金2 A122770下盖板铝合金2 A122770减振垫硅橡胶减振器套筒不锈钢减振器垫片不锈钢7750主机板板FR-4模拟板FR-4道康宁导热胶胶陶瓷封装芯片陶瓷HCopyofTransentThermalType:TemUnit*c2014-7-2213683.06100.82103.43763.319022210.805.58质量(g)14035225401002322022.06 第 2 期|Defense Manufacturing Technology比热
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