基于數(shù)字樣機(jī)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)體系協(xié)同工作探索

現(xiàn)代商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)過程高度復(fù)雜，耗時(shí)漫長。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)真正制造出來之前，在虛擬制造環(huán)境中以數(shù)字樣機(jī)（DMU）代替物理樣機(jī)進(jìn)行各種設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)、模擬試驗(yàn)，對(duì)性能和可制造性進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，能夠大大縮短設(shè)計(jì)和制造周期，降低產(chǎn)品的開發(fā)成本。

數(shù)字樣機(jī)是指對(duì)產(chǎn)品的數(shù)字化描述，與基于模型定義（MBD）、產(chǎn)品生命周期管理（PLM）和模塊化構(gòu)型管理等技術(shù)一樣，是解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)復(fù)雜性的重要手段，也是實(shí)現(xiàn)“數(shù)字孿生”的重要基礎(chǔ)，如圖1所示。但長久以來，數(shù)字樣機(jī)僅用于設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)、模擬驗(yàn)證等有限用途，未很好地融入研發(fā)體系之中，無法有效支持 “數(shù)字孿生”。造成上述情況的主要因素之一是沒有良好的工作模式使數(shù)字樣機(jī)（DMU）融入設(shè)計(jì)體系，使其成為設(shè)計(jì)人員的日常工具。

圖1 利用大裝配簡(jiǎn)化技術(shù)和數(shù)字樣機(jī)簡(jiǎn)化壓氣機(jī)

數(shù)字樣機(jī)的作用

數(shù)字化樣機(jī)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的關(guān)鍵在于如何高效利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）數(shù)字模型，建立良好高效的工作體系，使其融入整個(gè)研發(fā)過程中。除了已知的數(shù)模輕量化和PLM等技術(shù)之外，數(shù)字樣機(jī)還能夠通過與以下技術(shù)結(jié)合，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)中發(fā)揮重要作用。

模塊化構(gòu)型管理技術(shù)

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)非常復(fù)雜，研發(fā)過程需要通過細(xì)致地分解成不同的工作來完成，模塊化構(gòu)型管理有助于將復(fù)雜的工作分解。在實(shí)際的研發(fā)中，產(chǎn)品構(gòu)型管理的模塊化是和產(chǎn)品模塊化高度相關(guān)的，產(chǎn)品模塊化是與產(chǎn)品構(gòu)型項(xiàng)（CI）的劃分一致的，也稱為模塊化產(chǎn)品構(gòu)型管理，是為適應(yīng)復(fù)雜技術(shù)產(chǎn)品構(gòu)型管理衍生出的技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)模塊化管理的基礎(chǔ)。模塊化構(gòu)型管理技術(shù)為數(shù)字樣機(jī)的應(yīng)用提供了可管理的各級(jí)工作空間。

基于模型定義技術(shù)

基于模型定義技術(shù)，作為數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)制造的技術(shù)信息載體，是數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)制造體系中的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)，能夠有效地解決設(shè)計(jì)/制造一體化的問題。MBD技術(shù)可融入知識(shí)工程、過程模擬和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等，將抽象、分散的知識(shí)更加形象和集中，使得設(shè)計(jì)、制造的過程演變?yōu)橹R(shí)積累和技術(shù)創(chuàng)新的過程，是企業(yè)知識(shí)的最佳載體。MBD技術(shù)的信息標(biāo)準(zhǔn)化表達(dá)和集成，為數(shù)字樣機(jī)應(yīng)用提供了一體化的設(shè)計(jì)信息表達(dá)和交互的標(biāo)準(zhǔn)化方法，比傳統(tǒng)的CAD數(shù)模具有更大的優(yōu)勢(shì)。

大裝配技術(shù)

對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)這類結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件繁多的大型復(fù)雜裝配產(chǎn)品，利用CAD軟件完成產(chǎn)品各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，其產(chǎn)品幾何表示的信息量劇增。在進(jìn)行復(fù)雜產(chǎn)品的大型零部件的樣機(jī)分析時(shí)，由于受到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算、顯示等硬件性能和軟件數(shù)據(jù)處理方式的限制，通常無法正常操作，需要綜合利用MBD和大裝配技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化。對(duì)于大裝配技術(shù)，重點(diǎn)應(yīng)該放在裝配設(shè)計(jì)和裝配關(guān)系建模上，而不是將精力耗費(fèi)在不需要顯示的數(shù)據(jù)上。實(shí)踐中綜合利用大裝配簡(jiǎn)化技術(shù)和數(shù)字樣機(jī)，根據(jù)數(shù)模不同的精度研究，可以將數(shù)據(jù)量減少到原有數(shù)據(jù)的1%～25%。

基于數(shù)字化樣機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)

基于數(shù)字化樣機(jī)的協(xié)同設(shè)計(jì)研發(fā)工作模式主要包含業(yè)務(wù)關(guān)系、主要角色和職責(zé)、一般模式、業(yè)務(wù)對(duì)象，以及業(yè)務(wù)對(duì)象與關(guān)聯(lián)技術(shù)的關(guān)系等。

協(xié)同設(shè)計(jì)研發(fā)的主要業(yè)務(wù)關(guān)系

基于數(shù)字化樣機(jī)的協(xié)同設(shè)計(jì)研發(fā)的主要活動(dòng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)都是在PLM系統(tǒng)上進(jìn)行，與其他業(yè)務(wù)的關(guān)系如圖2所示。

圖2 協(xié)同設(shè)計(jì)研發(fā)與其他業(yè)務(wù)的關(guān)系

主要角色和職責(zé)

主要角色包括總師/總體、主任設(shè)計(jì)師/集成產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)（IPT）經(jīng)理和設(shè)計(jì)員等。

總師/總體的職責(zé)為：負(fù)責(zé)產(chǎn)品的總體定義、設(shè)計(jì)的分工、批準(zhǔn)、樣機(jī)評(píng)審和總體協(xié)調(diào)；建立全機(jī)骨架模型作為數(shù)字樣機(jī)的初始結(jié)構(gòu)；完成產(chǎn)品CI劃分，確定數(shù)字樣機(jī)的組件分區(qū)、組件接口定義，完成產(chǎn)品定義初始環(huán)境的定義。

主任設(shè)計(jì)師/IPT經(jīng)理的職責(zé)為：負(fù)責(zé)組件設(shè)計(jì)布局，部件設(shè)計(jì)分工，部件設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)；建立組件骨架模型，管理分區(qū)數(shù)字樣機(jī)，負(fù)責(zé)空間分配和幾何協(xié)調(diào)；建立工作集，子系統(tǒng)等。

設(shè)計(jì)員的職責(zé)為：在工作集、子系統(tǒng)內(nèi)完成具體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)定義；在產(chǎn)品工作集內(nèi)完成產(chǎn)品幾何定義，設(shè)計(jì)校驗(yàn)、制造定義，解決設(shè)計(jì)不協(xié)調(diào)和沖突，確定產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)，發(fā)布設(shè)計(jì)結(jié)果。

協(xié)同研發(fā)的一般模式

協(xié)同研發(fā)的一般模式包括兩個(gè)過程，即初始化過程和協(xié)同研發(fā)過程。產(chǎn)品研發(fā)在進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)協(xié)同研發(fā)階段（詳細(xì)設(shè)計(jì)）前的初始化過程包括啟動(dòng)產(chǎn)品研發(fā)—形成功能方案、確定產(chǎn)品功能分解結(jié)構(gòu)—確定產(chǎn)品構(gòu)型方案—審批批準(zhǔn)方案—形成基于CI的產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)—開始產(chǎn)品協(xié)同研發(fā)，協(xié)同研發(fā)過程如圖3所示。

圖3 協(xié)同研發(fā)過程

協(xié)同研發(fā)的主要業(yè)務(wù)對(duì)象

協(xié)同研發(fā)的主要業(yè)務(wù)對(duì)象包括分區(qū)、工作集、工作子集和設(shè)計(jì)元素等。

分區(qū)是組件、部件、分系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立的設(shè)計(jì)環(huán)境，用于組織和管理協(xié)同設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)，由對(duì)應(yīng)的主任設(shè)計(jì)師/IPT經(jīng)理負(fù)責(zé)。分區(qū)包括零件設(shè)計(jì)和子裝配，對(duì)應(yīng)數(shù)字樣機(jī)的子樣機(jī)、分系統(tǒng)樣機(jī)、層次樣機(jī)。分區(qū)不僅僅是結(jié)構(gòu)分區(qū)，還有分系統(tǒng)和子系統(tǒng)，而且分區(qū)也不是不能重合的，可以理解為研發(fā)的分解工作包。

工作集相當(dāng)于方案驗(yàn)證的“沙箱”，是設(shè)計(jì)元素的集合器，可包含多個(gè)子集。對(duì)工作集可相對(duì)獨(dú)立地進(jìn)行設(shè)計(jì)過程管理，相當(dāng)于一個(gè)“小產(chǎn)品”，主要用于不同方案的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。工作子集則用于具體的子部件的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

設(shè)計(jì)元素是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的具體表達(dá)和傳統(tǒng)的零件、裝配數(shù)模類似，在PLM系統(tǒng)中統(tǒng)一管理，包括所有構(gòu)型管理信息和空間屬性，可以引用到各個(gè)分區(qū)中使用。除了一般設(shè)計(jì)元素外，還包括以下幾種特殊類型的設(shè)計(jì)元素：可重用件，包括標(biāo)準(zhǔn)件和成附件等；下位件，當(dāng)進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)時(shí)，有時(shí)不但需要引用可重用件還要用到其裝配關(guān)系，可用下位件表達(dá)，如標(biāo)準(zhǔn)化的螺栓、螺母、墊片緊固件的裝配、成附件的裝配等；占位件，用于設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)時(shí)空間占位的表達(dá)，如可確定輪廓但未完成的零部件和只需要輪廓空間的組件模型等。

協(xié)同研發(fā)業(yè)務(wù)對(duì)象與其關(guān)聯(lián)技術(shù)的關(guān)系

協(xié)同研發(fā)業(yè)務(wù)對(duì)象與其他相關(guān)技術(shù)大致的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 協(xié)同研發(fā)業(yè)務(wù)對(duì)象與其他相關(guān)技術(shù)大致的對(duì)應(yīng)關(guān)系

數(shù)字樣機(jī)研發(fā)模式的優(yōu)勢(shì)

基于數(shù)字樣機(jī)的協(xié)同研發(fā)工作模式與傳統(tǒng)的工作方式（零件單獨(dú)設(shè)計(jì)—出打樣圖—線下協(xié)調(diào)—建數(shù)字樣機(jī)—發(fā)現(xiàn)問題—更改）有很大的不同：設(shè)計(jì)員根據(jù)任務(wù)分工負(fù)責(zé)CI的整體設(shè)計(jì)工作，而不是單個(gè)零件設(shè)計(jì)，有效解決內(nèi)部協(xié)調(diào)問題；根據(jù)任務(wù)在指定的分區(qū)的數(shù)字樣機(jī)中工作，相對(duì)封閉，檢出零件最少，影響上級(jí)和全機(jī)樣機(jī)少；主要利用接口、幾何樣機(jī)和骨架模型進(jìn)行協(xié)調(diào)；使用工作集在樣機(jī)環(huán)境下進(jìn)行方案策劃，靈活直觀，加快方案成熟，減少不必要的更改?；跀?shù)字化樣機(jī)的協(xié)同研發(fā)工作模式的上述特點(diǎn)，使之與傳統(tǒng)基于裝配的研發(fā)模式相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)。

一是可以更加靈活柔性地組織設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)?；跇訖C(jī)的協(xié)同工作方式可以更加靈活、動(dòng)態(tài)地加載相關(guān)設(shè)計(jì)模型，設(shè)計(jì)員可不受限制地瀏覽設(shè)計(jì)中或未定型的裝配設(shè)計(jì)，并在各級(jí)數(shù)字樣機(jī)中直觀地協(xié)調(diào)、討論方案。

二是設(shè)計(jì)元素生命周期相對(duì)獨(dú)立。每個(gè)設(shè)計(jì)元素?fù)碛凶陨淼陌姹竞蜕芷跔顟B(tài)，有獨(dú)立的全生命周期管理；而在傳統(tǒng)的基于裝配的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)元素只受裝配關(guān)系的影響和約束。

三是實(shí)現(xiàn)多重視圖。在傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，組件存在于裝配之中，若要查看必須加載它的上級(jí)裝配件。在基于數(shù)字化樣機(jī)的協(xié)同研發(fā)工作模式中，可以在不同分區(qū)，不同工作集中靈活地查看方案并在數(shù)字樣機(jī)中協(xié)調(diào)與分析改進(jìn)。

四是可以管理大型數(shù)據(jù)集。由于沒有了傳統(tǒng)的裝配結(jié)構(gòu)關(guān)系限制，大型多關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，管理更加高效。

五是數(shù)據(jù)鎖定更少。設(shè)計(jì)更新時(shí)只須檢出必要的設(shè)計(jì)元素，而不必檢出上級(jí)裝配件，大大減少了數(shù)據(jù)鎖定量。

六是使用工作集方式更加高效。使用工作集的方式進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，與相鄰零部件協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)無須檢出更高級(jí)的上級(jí)裝配組件，也不必檢出裝配組件的所有零部件，只檢出必要的關(guān)聯(lián)零部件即可。

七是并行設(shè)計(jì)能力加強(qiáng)。由于設(shè)計(jì)員在工作集中設(shè)計(jì)具體的零件且使用動(dòng)態(tài)靈活的方式獲得其他相關(guān)部件的信息，并在數(shù)字樣機(jī)中直觀地看到狀態(tài)，為設(shè)計(jì)—設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)—制造的并行協(xié)同工作提供了更加高效的手段。

結(jié)束語

基于數(shù)字化樣機(jī)的協(xié)同研發(fā)工作模式并非基于獨(dú)立的技術(shù)，它是數(shù)字樣機(jī)、MBD、模塊化構(gòu)型管理和PLM等技術(shù)綜合應(yīng)用的結(jié)果。在以往的應(yīng)用實(shí)踐中這些技術(shù)往往單獨(dú)實(shí)施，效果都是局部和片面的，只有將這些技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，才能構(gòu)建高效、實(shí)用的研發(fā)體系環(huán)境，融入日常的研發(fā)活動(dòng)之中。