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

一個完整的數據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；第二個是產品屬性信息及形狀、特征、尺寸、公差能夠數字化表達、處理和轉換；第三個因素就是集成化的模型應該在分布式環境下管理，便于協同設計，三維實體模型能夠作為生產制造過程中的唯一依據。

MBD技術促使CAD/CAM與PDM/PLM的結合越來越緊密，產品的數字化建模技術的概念也擴展為3個層次：最低層是產品數字化模型數據，中間層是產品模型數據的數字化轉換，最頂層是產品數據管理系統。MBD技術的應用不僅僅是在產品設計中建立數字模型，而是要建立一個面向產品PLM協同研制的基于MBD模型的數字化技術體系，建立基于MBD模型的單一產品數據源的分布式、動態協同工作環境，用于支撐整個供應鏈的相關設計、制造單位（部門）的高效協同工作，確保產品研制數據的一致性、有效性、安全性、完整性和可追溯性。

1. 數字化建模的發展歷程
產品數字化建模技術源于幾何圖形化建模技術，20世紀50年代至今，幾何建模技術經歷了線框造型、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年代開始發展起來的一門新的造型技術，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零件的質量計算、有限元分析、數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上引入參數化特征造型技術，將幾何建模技術推到一個新階段。目前，主流CAD軟件均采用參數化特征造型作為主要的幾何建模手段。參數化特征建模多局限于零件建模本身，對于具有復雜裝配結構的產品，零件間的參數化很難驅動，在參數化建模原理上引入關聯設計技術，開發出與CATIA無縫集成的VPM（Virtual Product Management）產品數據管理系統，在全三維設計過程中，通過建立模型之間的相互依賴關系，從而實現飛機研制中上下游專業設計輸入與設計輸出之間的影響、控制和約束關系。此階段雖然實現了三維的關聯設計，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，美國機械工程的協助下開始有關MBD標準的研究和制定工作，并于2003年使之成為美國國家標準（ASME Y14.41-2003)，隨后CAD把此標準設計到工程軟件中。在經過737-NX型號中初步應用MBD技術后，2004年開始在787客機的設計和制造中全面應用MBD技術，并通過開發系列化建模工具，將參數化與知識工程融合，將全三維數字化建模技術推向更高的應用程度，徹底擺脫二維工程圖紙，真正的實現了向三維數字化設計制造一體化轉變。

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

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

（2）逆向工程。它是將實物轉變為三維模型的相關數字化技術、幾何模型重建技術和產品制造技術的總稱，即將已有產品或實物模型轉化為工程設計模型和概念模型，在此基礎上對已有產品進行解剖、深化和再創造，是一種以實物（油泥模型）為基礎產生三維數據的設計過程，這一建模技術早期在我國飛機、汽車、機械產品的仿制中普遍使用，是產品設計的初級形式，該技術帶動了三維CAD軟件的廣泛使用，推動了這些行業的快速發展。

（3）標準件建模。隨著工業的發展，有一部分零件已經被標準化，形成了國標、航標等標準件，這類零件可以利用CATIA的標準件庫模塊一次建模、重復引用，從而節約建模時間，加快設計進度。

（4）參數化設計。就是將模型中的定量信息參數化，建立圖形約束和幾何關系與尺寸參數的對應關系，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，自動地響應對圖形中相關部分尺寸的變動，從而完成對圖形的驅動。

（5）二次開發建模。CATIA為了滿足不同用戶的使用需求，給用戶預留了進行二次開發的接口，CAA（Component Application Architecture，組件應用架構）為用戶提供了一系列開發工具，用以實現宏程序執行、幾何形體生成等功能。MBD技術的應用將產品的參數化和二次開發建模技術融合并提升到智能設計階段，在設計中融入更多的工程知識和規則，實現更高層次上的數字化建模。

（6）關聯設計。在三維設計過程中，通過參數化設計技術建立模型之間的相互依賴關系，從而實現產品設計中上下游專業設計輸入與設計輸出之間的影響、控制和約束關系。關聯設計技術把單個零件的參數化建模技術上升為模型和模型之間的幾何元素的驅動關系，是目前國內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同的關聯設計模式轉變。

3. 基于VPM的關聯建模技術
關聯設計是數字化技術應用到一定水平、數字化設計和產品數據管理高度融合的結果。波音把關聯設計列為B787飛機研制十大技術成果的第一位，足見關聯設計技術在飛機研制數字化技術應用中的重要性。ENOVIA VPM為實施基于CATIA V5的在線關聯設計而搭建的協同平臺，其關聯設計主要基于以下技術實現：

（1）參數化建模：創造一個零件的幾何變量或參數使用；

（2）關聯建模：在不同的數據模型之間建立鏈接；

（3）在配置的環境中進行在線設計。

VPM環境下，提供以下幾種工具實現關聯設計：

（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系，但不考慮零件在某一個特定產品中的相對定位。如在進行螺母螺釘的設計時，允許在設置螺母直徑時，將其與螺釘直徑建立關系。這樣如果修改了驅動兩個元素之一，其直徑將自動更改。

（2）Instance to Instance，在一個產品的實例之間的相對定位的鏈接，沒有驅動幾何，適合于裝配約束。設計一個螺栓，實例實例鏈接提供設計員設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系，又考慮到了零件之間的位置關系。這種關系就是講前面2種關系的組合使用，在關聯設計中骨架模型與零件之間的聯系就是此種鏈接。

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

4. 機加、鈑金件全三維數字化建模技術
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，更是工藝和數控編程等制造過程的基礎。目前國內外飛機設計制造領域，機加、鈑金類的金屬零件已率先實現了在CATIA環境下的全三維數據集定義，三維模型完全取代了傳統的工程圖紙，實現了無紙化設計制造。MBD模式下零件的建模不僅要考慮建模的順序及品質達到工藝及數字化加工的要求，而且要考慮建模的效率，還要兼顧設計和制造之間數字化傳遞數據的管理問題。建模的基本技巧和規范只是最基本的建模技術，全三維模式下不但要充分利用好參數化的特征定義與控制，利用好三維模型的表現力，更好、更準確地表達設計意圖，更要充分利用知識工程模塊，實現建模智能化，使工程信息的抽取和知識的挖掘變的更為容易。

MBD模式下參數化建模包含2個方面內容：

（1）幾何信息的參數化建模。

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

（2）非幾何信息的參數化建模。

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

MBD模式下基于特征的參數化建模必須綜合考慮幾何信息和非幾何信息的參數化，充分利用CATIA提供的KWA（知識顧問）、KWE（知識專家）、PKT（知識模板）等知識工程應用手段，借助CATIA先進的CAA二次開發工具,將設計過程中的設計準則、規范、原理、經驗等采用IF-THEN形式表達,建立相應設計規則庫,存儲大量的設計規則、設計規范、設計原理和設計經驗,組成企業的基礎結構庫。

圖1是某型號飛機的全機結構電子樣機，圖中的機體結構件多為具有相似特征的機加、鈑金件。通過分析結構件特點、整理結構件信息，總結典型特征，將不同系列的典型結構件模板模型參數化，即在結構模板基礎上，用一組參數與一系列基準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，重新選取建模基準驅動模板發生變化，達到參數化的目的，并通過特征拼接技術實現變型設計，提高建模的效率和規范性，這是當今數字化建模的高級形式。


圖1 飛機主要結構電子樣機

5. 標準件的數字化建模技術
在飛機機體裝配設計/制造過程中，需要定義及使用大量的標準件，通常標準件的數量占全機零件數量的80%左右，為了提高效率，航空企業普遍采用了CATIA或VPM提供的標準件庫功能，利用知識工程（KnowledgeWare）模塊中的Formular命令、Design Table命令以及Catalog命令功能進行參數化標準件建模。在建模時首先利用Formular命令建立參數，并為這些參數合理地命名，在建立模型時把這些參數同模型的主要尺寸關聯起來，之后利用Design Table的命令把這些模型參數存儲到表格中，最后將數據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進行模型的驅動，生成新的模型，從而形成標準件的系列化和組合化，一次建模、重復引用。這種建模方法對實例化的標準件非常實用，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技術后，標準件的使用方式發生了根本變化，如果全機所有標準件全部進行實例化引用，數據量巨大，設計員的重復工作很多，浪費時間，管理也不方便，因此出現了標準件的簡化表達技術。

MBD模式下，標準件中的緊固件類標準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構化數據，幾何圖形集的名稱為緊固件的牌號和規格，幾何圖形集下以參數的形式對緊固件的名稱、重量、重心、規范及要求進行表達。因緊固件定義具有重復性，利用CATIA的CAA二次開發工具開發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準件庫的的標準件參數應相互關聯，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用實體標準件庫的輕量化數模進行裝配檢查。緊固件定義采用知識推理的機制，根據連接面的距離，自動計算緊固件的長度，按照緊固件的關聯組合，自動進行緊固件的匹配選擇，并完成緊固件的信息提取、數量統計、牌號統計、以XML結構化格式對緊固件BOM輸出、實現緊固件信息的集成和共享。

6. 結束語
隨著計算機技術的飛速發展和MBD技術的廣泛應用，數字化建模技術發生了翻天覆地的變化，本文簡要概述了數字化建模的發展階段，總結了當今主要的數字化建模方法，闡述了MBD模式下關聯設計建模、機加和鈑金參數化建模、標準件建模的主要技術。在新時期、新研制模式下，如何快速、準確、規范的完成產品的數據建模，并把數據模型作為制造的唯一依據已是航空企業為提高設計質量，縮短設計周期、降低研制費用的有力武器，也是我們探索建模技術的方向，隨著數字化技術應用的廣度和深度不斷加強，數字化建模技術將更加智能化、知識化。