0 引言

飞机管线路及其设备的布置设计工作,是飞机系统设计的重要组成部分。以往管线路及其设备的布置设计都在飞机设计后期开展,这意味着管线路和设备的布置方案,会因其它设计如结构的更改导致管线、设备布置设计的一系列的更改,且设备的更改也会产生其它设计的更改,扩大整个产品的研发周期。通过对飞机管线路和设备布置拓扑优化方法进行研究,在飞机设计初期就开展管线路、设备等布置设计。分析管线路设计与其它设计信息的交互,实现与其它系统设计有效的沟通协调,提高系统设计之间的信息传递效率,并针对设备布局开发相应的配套工具,可以提升管线设计及布局的效率。

基于CATIA二次开发出的设计优化工具,可以提高设计效率,减少设计人员繁琐的重复工作。国内外研究人员基于CATIA提供的开发接口,搭建出多种快速设计工具,如GUAN Peng等^[1]通过VB6.0进行CATIA二次开发,使用特殊参数设计扭转叶片,并通过二次开发程序实现叶片参数生成和特定叶片的三维参数。彭欢^[2]基于V5Automation进行CATIA二次开发,实现在所选安装面上,螺钉的智能化自动装配。李斌^[3]使用Visual Basic设计交互界面,并使用宏录制等实现CATIA二次开发,满足模具参数化设计及模具零件的快速调用要求。周建斌^[4]基于CATIA二次开发研究出的飞机零件质量参数提取工具,大幅减少了设计人员的工作量,提高了质量特征数据的批量提取速度及准确性。蒋辉等^[5]使用Automation API进行CATIA二次开发,实现了燃油箱的自动分割和寻优计算,并得到了飞行器在各飞行状态下的燃油箱重心。 WANG Wei等^[6]提出基于CATIA二次开发的线缆敷设路径规划方法,并在某型航空产品验证了该方法的可操作性,解决了传统线缆敷设方法的缺陷。张越^[7]对非标准零件进行参数化设计并进行有限元分析,通过CATIA的二次开发实现非标零件的设计管理,有效缩短了零件的研发周期。王庆男等^[8]使用CAA V5框架,创建齿轮基本参数交互界面,并利用二次开发工具实现二维工程图的智能生成,提高了斜齿圆柱齿轮的设计效率。YANG Honggang等^[9]使用VB二次开发的工具,实现了参数化设计曲轴及曲柄形状的自动生成,减少了设计人员的重复操作。

本文使用V5Automation对CATIA进行二次开发,并生成设备快速布置、管线路与主通道空间模型测量审查和线缆重量快速统计等工具模块。实现飞机早期的管线路及设备布置设计,为设计人员快速提供直观的参考数据,减少了后期的设计更改,节约成本,缩短研发周期,提升设计核心竞争力。

1 V5 Automation的关键技术

1.1 CATIA二次开发接口

二次开发就是将CATIA用户化、本地化的过程,CATIA提供了四种开发方式,具体如下:

1)Knowledge Ware是一种面向目标的、可高效重用的客户化方式,Knowledge Ware和V5的紧密结合可以提升知识库规则及求解的处理能力;

2)Interactive User Defined Feature为编制式的开发方式,创建交互式的用户定义特征并保存在CAT Part文档中,供客户交互使用;

3)Automation API,支持VB、Python等语言。简单易用,可通过VB Script或JavaScript来录制宏并生成代码,并具有与OLE兼容的平台通讯能力;

4)CAA(Component Application Architecture)使用C++或Java应用接口,交互功能强大。但是需要购买单独的CAA模块且开发难度比较大。

因Automation API具有支持多种开发语言,且全部API都封装为对象驱动模式等优势,本文使用Automation对CATIA进行二次开发。

1.2 V5 Automation进行CATIA二次开发

在V5Automation模块中,数据均以对象的形式呈现^[2],且生成结构树。Automation通过对象的方法和属性获取并处理数据。

在图1中,Application是根对象,它包括Windows和Documents,通过Application可访问其他所有对象,即通过Documents、Windows等可以实现CATIA全部对象的访问。其中,Documents是CATIA目前全部文档操作的集合,包括单个零件、产品、部件、图纸、分析、功能、工艺、库等主要文档类型。Document.Selection是用来获取文档的选择对象,并可以对其进行增、删、改等操作。Workbench是CATIA完成某类功能或者模块的集合。SettingControllers由ioAdminLevel和ioLocked组成,返回一个CATIA系统设置的集合。Windows是CATIA当前可以进行操作窗口的集合,可用n=CATIA.Windows.Count代码获取当前窗口个数。FileSystem是被用来创建和管理的文件系统,如用CATIA.FileSystem.Temporary Directory.Path返回临时目录地址。

2 拓扑优化工具开发流程

针对飞机管线路及设备布置设计提供基于研发阶段的工具,有效提高管线路及设备布置的效率和质量,实现与其它系统设计之间的数据交互,系统具体交互流程见图2。拓扑优化工具开发基于CATIA V5平台,在飞机设计初期使用CATIA开展空间布局设计,以飞机设计需要的设备以及已有的设备信息,管线路布置使用的连接器、接线端子、卡箍、线缆支架以及线缆规格等作为输入后,能够快速完成全机管线路设备的布置及优化的工作并逐步细化设备和相应的通道信息。从而提高飞机管线路系统设计与其它系统的信息交互效率和飞机整体设计能力。

管线路及设备布置拓扑优化工具主要包含以下工具:

1.设备总体布置拓扑优化工具:能够根据飞机几何外形、部段划分、所属区域、系统设备的位置及EWIS线缆通道的分布,迭代计算出设备调整的多方案结果。该结果结合线缆敷设工具直观的显示线缆敷设路径,辅助设计人员快速构建飞机分段模型,并实现设计参数快速变更及多方案切换;

2.管线路与空间模型协同测量审查工具:可以自动分析并输出全机管线路及设备与周围零部件的隔离间隙检查结果;

3.线缆长度及重量快速统计工具:通过分析设备信息、线缆总长度及所属规格、线缆分段处的接头重量等数据,快速统计出当前线缆敷设方案的长度及总重量。

如图3所示,在确定开发功能后,先在产品的建模过程中,对目标零件的特征进行分析。然后提取零件模型的特征参数,将一部分尺寸参数与约束集合进行关联,利用尺寸驱动方法更改几何模型。对管线路和设备的配合关系、运动关系、连接关系、位置关系等进行约束并指定他们的关系,使各分部件按约束组合在一起。

最后,在确认完成所需的开发功能及代码运行正确后,使用本文开发的优化工具进行飞机管线路及设备布置设计、间隙检查、线缆长度计算及重量统计等。

3 应用

3.1 完成空间布局设计

在飞机设计初期考虑设备空间布局,需参考结构模型进行空间定义和设备位置规划,然后将设备布局信息作为参考提供给结构、系统等专业进行评估,从而获得更好的总体设计效果。管线路设计依托于结构和设备,但又是独立的系统,自成体系。因此,在系统设备布局设计中,首先根据功能要求参考结构模型进行空间定义,对设备大致位置进行规划,定义相应的连接通道。在结构设计开展到一定阶段后,需完成对设备及管线路通道的接口定义工作。如图4所示,在飞机的结构空间中进行相关设备空间占位定义,并进行连接通道的定义。在完成基本设备布局与通道定义后,就可以将这些信息输出给相关专业进行评估,并在之后的CATIA设计中,直接获取设备的相关信息。根据这些信息从设备库中调用并进行设备的空间布置,再根据设备布置结果进行管线的通道定义。

如图5所示,为防止液体泄漏,滴落在EWIS线缆上,将供水、废水、液压和空调管路等布置在EWIS下方或一侧,在机翼和平尾的设计中,本文亦将EWIS通道布置在液压管路上方。

民用飞机EWIS系统空间分配样机根据飞机的部段进行主通道的规划,通过CATIA模块构建现有的SAM(Space Allocation Model) A成熟度的主通道,并依据飞机的部段划分对主通道进行拓扑优化,完成主要电气设备布置、主通道定义、部段边界划分及结构的初步确定。SAM A成熟度的主通道如图6所示,颗粒度相对较粗,无法体现全机主通道的布置及实现EWIS线缆路径规划与布置的协同迭代。

将飞机部段分为:机头、前机身、中机身、后机身、机翼、水平尾翼、垂直尾翼等,由于飞机多个部段的划分造成主通道的分段,需要在每个部段的同一主通道进行分段属性的定义。本方案的主通道由CATIA V5Electrical Harness Assembly创建,其中每一个通道对应一个Branchable,需要对相应的Branchable进行属性的定义,主通道区域属性定义的原则包含以下几点:

1)属性名称为Channel_Area,值为Top或者Down,名称和值字母必须大写,不满足以上要求表示属性没有定义,不做测量审查;

2) 属性值同为Top或者同为Down的进行测量检查,值为Top和Down的不进行测量审查。

在完成如图8所示的SAM B成熟度建模后,输出包含接口、边界、直径、重量等数据的空间分配模型,依据区域的划分进行现阶段主通道拓扑进行区域属性的定义,将全机通道划分为Top和Down两个区域,具体如图8(c)所示。

完成设备的空间布局、位置、接口定义、所属管线路的分段后,可以将空间通道细化为实际的连接零件对象等,并结合详细接线信息,将设备和连接器等信息与原理图进行匹配,开展多方案布局设计和管线路初步设计。

3.2 完成多方案布局设计

如图9所示,完成设备空间布置后,可以进一步开展管线路设计,提供多种方案供设计参考。管线路及设备在一定范围的设计,其布局有多种可行方案。设备位置的微调,设备安装方向的改变等都可能对飞机整体性能产生影响。手动调整难度较大,且在需要调整的对象数量较大时,难以获得预期效果。在CATIA中利用设备占位以及设备的物理属性,设定分析的目标后,通过调整设备的位置改变相关参数,根据设备的空间距离及物理属性自动计算出多种方案,供设计择优选用。

通过CATIA二次开发实现设备位置或方位调整,在布局方式产生变化时自动计算方案是否满足要求,从而得到合适的布局方案。

3.3 初步优化设计

在获得比较优化的布局后,可以进入管线路及设备布局的优化设计阶段。如图10所示,将设备空间占位模型替换为设备详细模型,可获得更准确的空间位置与物理信息,并再次进行设备的调整优化及信息交换,从全局上优化飞机的管线路及设备布置设计。对管线路通道进行细化设计,确保通道和实际产品的接口一致,对管线路的支撑、支架等进行检查,确保设备的连接可靠。使用二次开发工具实现管线路与周围零件的干涉和间隙检查,供设计人员进一步审查优化。

在优化设计时根据飞机的划分进行管线路对象的分割,并自动进行产品对象的数据组织,同时保留接口信息,以确保后续详细设计时通道接口信息可以指导管线路的详细设计。

3.4 管线路间隙检查工具

在CATIA中利用二次开发结合应用Raceway和Conduit模块,如图11所示,将管线路通道生成线缆通道路径Run,定义线缆通道的类型,如主通道、分支通道。通过定义Run上的节点来获取该点的通道信息,如通道该节点处的线缆类型、区域信息、线缆承重要求等;节点区域信息可为后期线缆通道布图出图,为线缆清册报表提供数据输入。

主通道隔离代码属性定义完成后,用户点击测量审查命令,打开XML文件,调整并确认文件中的通道间隙数据是否与本次检查要求一致。确认一致后,点击间隙检查工具时,弹出如图12所示的选择分析弹框,用户可在CATIA的结构树或数模里选择需要计算分析的对象,也可以直接勾选机头、前机身、机翼、中机身、后机身、尾翼等部段,然后点击开始检查,进度条会显示检查进度。检查完成后,用户可以将间隙检查结果另存为Excel、Word等文件。另存为Excel文件的检查结果如表1所示。

3.5 线缆长度及重量计算工具

本方案采用计算通道重量的方法对线缆的重量进行初步评估。依据通道参数及规格的定义来进行计算。计算方法如公式1所示:

其中:

M:表示计算的线缆总重量,单位kg;

S:表示通道的截面积;

ρ:表示线缆的线密度;

L:表示通道的总长度,包含主通道和分支通道的长度,单位km;

0.8 :表示通道中单线布线的概率为80%;

0.2 :表示通道中双线布线的概率为20%。

如图13所示,在对管线路进行主通道及分支通道的拓扑后,开始进行通道直径、飞机线缆布线的所属规格及现有机型线缆的使用比率的定义。基于开发工具自动获取线缆的总长度,并依据通道所属属性获取质量,从而快速统计出每种线缆敷设方案的总重量,得出EWIS重量的初步估算。

如图14所示,可以在CATIA的结构树或数模里选择需要计算分析的对象,也可以直接勾选单个或多个部段,然后点击开始计算,进度条会显示计算进度。计算完成后,会在弹框中显示所选分析对象的总长度及总重量,也可单击保存计算结果,将本次计算结果保存在文档中。

4 结论

本文对民用飞机初步设计阶段开展研究,优化了主通道及管线路布置设计流程,并使用V5Automation对CATIA进行二次开发,分别设计出方案布局、初步优化、EWIS线缆长度及重量计算等工具,并通过上述工具实现飞机主要设备及管线路通道的快速布置,同时,可实现主通道间隙检查分析、重心统计等。提高管线路与设备布局设计和总体设计之间的沟通效率,并将不同阶段设计信息向后继承使用,为飞机的迭代设计提供解决方案。此外,针对文中使用的线缆密度ρ,本文将继续研究现有机型的线缆密度,并在后续将研究使用智能算法进行对管线路自动拓扑优化布线。

参考文献