基于模型定义(MBD)技术是将产品的所有相关设计定义、工艺描述、属性和管理等信息都附着在产品三维模型中的先进数字化定义方法。

MBD技术最初由波音公司于20世纪90年代提出，并于2003年被美国ASME批准为机械产品工程模型的定义标准，即ASME Y14.41《数字化产品定义数据实施规程》。后来波音公司在该标准的基础上做了进一步研究，制定了BDS-600系列应用规范。2006年，ISO组织借鉴ASME Y14.41和BDS-600标准，制定了ISO 16792标准，进一步推动了数字化技术的应用发展^[1-2]。

MBD是产品定义方式的一次革命，它以更为强大的表现力和易于理解的定义方式，极大地提高了产品定义的设计质量和利用效率，使设计、制造融为一体，代表着未来产品设计技术的发展方向^[3]。

波音公司早在20世纪90年代中期就已提出MBD的概念。从2004年开始，波音公司在787客机的设计和制造中开始全面应用MBD技术，实现三维模型完全取代二维图纸。MBD技术使三维实体模型成为飞机研制过程中的唯一依据，有效提升了飞机研制的效率和质量，并为波音公司带来了巨大的效率^[4]。2009年，波音公司在新一代“战神”航天运载器研制中采用了MBD技术，实现设计制造一体化，缩短装配工期57%。与此同时，空客、洛克希德·马丁等公司也在项目研制中全面采用了MBD技术^[1]。

在国内，许多学者和航空航天单位已经充分认识到MBD技术将是今后数字化设计与制造的发展趋势，并大力开展以MBD为代表的数字化技术的研究与应用。2009年，全国技术产品文件标准化技术委员会借鉴国外MBD先进经验，结合我国机械行业实际情况，制定了GB/T 24734系列《数字化产品定义数据通则》，对产品的三维设计制造进行了相关规定^[1,5]。

目前MBD技术在国内航空领域应用较多，并已在以大飞机为代表的多种型号飞机的数字化设计与制造中得到应用[2-4,6-9]。在航天领域，MBD技术的应用则起步相对较晚，目前仅在新一代运载火箭上初步使用[1,10,11]，在液体火箭发动机领域的应用则相对较少。

要实现采用MBD技术的数字化设计，必需构建一个三维协同设计平台。首先是选择三维建模软件，目前比较流行的三维设计软件有很多，如CATIA、Pro/E(Creo)、UG、SolidWorks和AutoCAD等。为了便于与火箭总体进行结构协调，某液体火箭发动机采用了PTC公司的Pro/E软件作为三维建模软件。在有了三维设计软件之后，协同平台还要为用户提供一个与三维设计无缝集成的模型共享机制，确保产品研制数据的一致性、共享性、有效性、完整性和可追溯性。Intralink是PTC公司开发的一个与Pro/E软件无缝集成又基于WEB的设计协同平台，它支持不同部门的多个CAD用户实时进行协同设计^[1]。因此某液体火箭发动机最终选择Pro/E+Intralink作为三维协同设计平台，其工作流程见图1^[12-13]。

图1 工作流程
Fig.1 Working process

三维设计和原有的二维设计是两种不同的设计模式，必须有合理、严格的标准规范进行约束。

首先结合液体火箭发动机设计特点，参考国内外三维数字化设计规范，制定了二十余项适用于液体火箭发动机的三维数字化设计标准，规范化了三维模板、三维模型命名、三维模型着色、标准件库使用、三维标注和模型管理等内容。

建立MBD三维模型是开展三维数字化协同设计与制造的基础和核心工作，该模型必须确保包含所有设计信息。

在某液体火箭发动机研制中，设计人员按照系统设计要求进行结构方案设计和规范化三维建模，并采用IPT模式完成工艺会签、标审等工作，其中三维建模和三维标注模型设计的核心工作。目前三维标注工作包含全尺寸标注，明确技术要求和模型属性参数（见表1）填写等工作，其中全尺寸标注和技术要求与原有二维图纸包含内容基本一致，而三维模型属性参数则用于明确材料属性、工艺路线和更改信息等内容。MBD模型实现了真正的无纸化设计。

表1 三维模型属性参数
Tab.1 Property parameters of 3D models

设计状态控制是设计工作的一项重要内容。在使用二维图纸时，晒兰下厂图纸代表了产品最终设计状态，某液体火箭发动机则通过三维模型版本号来区分。因此为了保证设计状态的正确性和唯一性，需要对三维模型版本号进行严格控制和区分。

由于Intralink平台不能实现流程管理，因此某液体火箭发动机采用了Avidm+Intralink协同管理模式，其中Avidm负责管理三维模型审批表、明细表和更改单，Intralink平台实现三维模型存储、共享和基线管理。在三维模型审批表和更改单中需具体明确最终设计状态的模型版本号和基线号，确保设计状态全程受控。

在传统的二维设计模式中，电子图纸需晒兰后分发下厂，工艺人员在接收到晒兰图纸后才能开始工艺文件设计、工装设计等工作。采用MBD技术完成三维模型设计后，模型分发下厂流程也随之发生变化。

在某液体火箭发动机设计中，设计人员完成模型文件审批流程和三维模型基线受控后，档案部门直接将三维模型基线电子分发到工厂，工艺人员根据三维模型审批表在Intralink中下载和查看相关三维模型，然后开展后续工作。电子分发简化了三维模型下厂流程，在提高工作效率的同时又降低了研制成本。

产品设计状态更改是发动机研制过程中不可避免的工作内容。传统的二维图纸更改一般采用刮改、换页或换版等方式，并通过下发更改单明确具体更改内容。

采用ProE软件建立的三维模型可实现参数化设计，对于不改变拓扑结构的简单更改，仅需对建模特征参数进行修改后更新三维模型就可实现设计要求更改，操作简单方便。对于改变拓扑结构的复杂更改，则需对更改特征进行重新建模，并同时增加相关三维标注。在更改单中，需明确三维模型更改前后的版本、基线和具体更改内容。

随着仿真技术的飞速发展，仿真分析已成为液体火箭发动机研制的重要内容。由于液体火箭发动机及其组件结构方案复杂，并涉及流动、传热、燃烧等复杂物理化学变化，一维和二维仿真分析不能完全模拟发动机真实工况情况。采用三维数字化设计后，仿真分析模型更加真实，载荷加载和边界定义更加准确，可进一步提高仿真分析的准确度和精确度。

在某液体火箭发动机研制中，发动机整机和相关组件均开展了刚度、强度、流场、传热以及气热固耦合等三维仿真分析(见图2)，并根据仿真分析结果进行方案和结构优化，使最终设计方案更加完善，发动机性能和可靠性有了进一步提高^[14]。MBD模型的建立促使三维仿真分析进入了发动机研制主流程。

图2 结构变形图
Fig.2 Diagram of structure deformation

液体火箭发动机结构复杂，零部组件数量多，若结构方案设计不合理，很可能出现产品加工好后装配困难或者无法装配问题。在建立全三维模型后，可在结构方案设计阶段利用三维模型进行产品装配过程模拟仿真，提早发现方案设计缺陷，避免结构方案反复。同时三维模型可以用于指导现场装配，提高装配效率。

某液体火箭发动机关键技术综合演示验证装置为首次研制，包含了二十多种新研组件，结构十分复杂，通过开展三维数字化模装进行装配方案验证，首台产品实现了一次性成功装配。