航天復(fù)合材料產(chǎn)品設(shè)計與工藝一體化研制模式

◎中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心 鄧云飛 顧春輝 李永俊 曾亮 張曉帆

航天復(fù)合材料產(chǎn)品設(shè)計與工藝一體化研制模式

◎中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心 鄧云飛 顧春輝 李永俊 曾亮 張曉帆

航天產(chǎn)品輕質(zhì)化、小型化、功能化、高可靠性要求的發(fā)展趨勢，對復(fù)合材料產(chǎn)品研制過程中的新技術(shù)、新工藝進(jìn)行研究顯得非常重要。近年來，隨著計算機(jī)和精益管理技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的企業(yè)將數(shù)字化設(shè)計與集成產(chǎn)品開發(fā)模式運(yùn)用到復(fù)合材料的設(shè)計中，如波音公司在787項(xiàng)目中將復(fù)合材料設(shè)計工藝數(shù)字化集成技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計、制造整個過程，效果非常顯著；空客集團(tuán)的A350、龐巴迪公司C系列飛機(jī)均大量應(yīng)用復(fù)合材料數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計工藝集成研制技術(shù)，大幅度提高了研制效率。這些案例表明，借鑒國外已有先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，研究航天復(fù)合材料產(chǎn)品數(shù)字化集成技術(shù)并進(jìn)行探索應(yīng)用，對構(gòu)建復(fù)合材料全數(shù)字化生產(chǎn)線、實(shí)現(xiàn)航天器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)高效高質(zhì)研制具有重要意義。

一、傳統(tǒng)復(fù)合材料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計流程及存在的問題

在航天傳統(tǒng)型號復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計模式中，設(shè)計人員完成接口及尺寸設(shè)計，工藝人員完成鋪層和工藝設(shè)計，工藝人員實(shí)際上承擔(dān)了部分設(shè)計工作，如圖1所示。

設(shè)計人員將三維設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)合二維技術(shù)文檔下發(fā)至工藝，工藝人員完成鋪層設(shè)計、成型工藝仿真分析及工藝作業(yè)指導(dǎo)書編制等工作，制造執(zhí)行階段主要依靠二維圖樣并結(jié)合三維幾何外形數(shù)據(jù)輔助工藝?yán)斫猓麄€流程呈典型的單一鏈路模式，并且需要投放模裝件進(jìn)行接口及工藝協(xié)調(diào)驗(yàn)證。

傳統(tǒng)研制模式下，產(chǎn)品研制鏈路單一、設(shè)計與工藝割裂，形成數(shù)據(jù)信息應(yīng)用“孤島”，不能實(shí)現(xiàn)設(shè)計與工藝資源的深度整合，導(dǎo)致兩者協(xié)調(diào)效率低、設(shè)計過程不能完全受控，無法勝任復(fù)雜產(chǎn)品構(gòu)型管理，并且在制造過程中以二維圖樣為主、三維數(shù)據(jù)為輔，達(dá)不到大幅縮短研制周期的要求。

二、一體化研制模式的總體思路

針對傳統(tǒng)設(shè)計模式的缺陷，課題組提出的設(shè)計與工藝并行協(xié)同研制模式的總體技術(shù)體系如圖2所示。

在基礎(chǔ)資源層構(gòu)建以規(guī)范體系為基礎(chǔ)的手冊模板庫和模型庫，通過試驗(yàn)、仿真分析及工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)建立完善的復(fù)合材料鋪層構(gòu)型庫；在關(guān)鍵技術(shù)層將一體化設(shè)計技術(shù)固化，構(gòu)建以復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范體系、工藝規(guī)范體系為核心的知識資源體系；平臺層以全三維在線協(xié)同設(shè)計平臺應(yīng)用體系為基礎(chǔ)，在設(shè)計流程體系中集成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計工具和資源，制定基于模型定義（MBD）的復(fù)合材料設(shè)計、工藝設(shè)計規(guī)范體系；在流程層，從方案論證到產(chǎn)品圖樣下廠、制造執(zhí)行，依據(jù)研制進(jìn)程決定工藝人員不同程度的介入，詳細(xì)設(shè)計階段依據(jù)產(chǎn)品成熟度預(yù)發(fā)放規(guī)則實(shí)現(xiàn)設(shè)計與工藝并行協(xié)同，以三維模型為核心數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計與工藝應(yīng)用數(shù)據(jù)傳遞，完善復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計流程、并行協(xié)同數(shù)據(jù)預(yù)發(fā)放流程、數(shù)據(jù)狀態(tài)控制流程及方法等流程體系的制定和優(yōu)化。

三、一體化研制模式的主要內(nèi)容

圖1 傳統(tǒng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)品研制流程

復(fù)合材料設(shè)計工藝研制包括資源庫應(yīng)用技術(shù)、協(xié)同設(shè)計文件及規(guī)范體系建設(shè)、MBD設(shè)計方法、集成產(chǎn)品開發(fā)（IPD）管理模式等方面的研究內(nèi)容，其中最為核心的內(nèi)容為MBD的產(chǎn)品定義技術(shù)方法和基于IPD的復(fù)合材料管理模式。

1．協(xié)同設(shè)計文件及規(guī)范體系建設(shè)

為了保證整個設(shè)計流程的規(guī)范性，課題組初步建立全三維數(shù)字化設(shè)計的規(guī)范體系，覆蓋了協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)管理、標(biāo)準(zhǔn)件庫管理、環(huán)境配置、通用建模方法等信息，包括設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計模板、材料規(guī)范、設(shè)計指南手冊、集成產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊（IPT）管理手冊五大類，對全體研制人員主要作業(yè)流程進(jìn)行全過程規(guī)范性操作約定，確保所有產(chǎn)品三維數(shù)模建模過程的標(biāo)準(zhǔn)化和精細(xì)化，具有高度可換性和參數(shù)化驅(qū)動特征，解決了傳統(tǒng)模式下設(shè)計模型在全生命過程中由于設(shè)計人員更換導(dǎo)致后期更新更改困難，甚至需要模型重建的難題。

在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步從設(shè)計全流程范圍著手編制三維模型標(biāo)注規(guī)范：幾何定義要求、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)零件建模規(guī)范、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計指導(dǎo)手冊、零件設(shè)計技術(shù)要求模板、MBD裝配設(shè)計規(guī)范等20余項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及指導(dǎo)手冊，進(jìn)一步確保設(shè)計質(zhì)量，提升設(shè)計效率。

2．基礎(chǔ)資源庫應(yīng)用技術(shù)

隨著技術(shù)的發(fā)展，未來先進(jìn)飛行器將全面采用全三維設(shè)計技術(shù)，結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)、儀器、電纜、管路安裝設(shè)計工作量極大，需要調(diào)用大量的材料、設(shè)備成品件、電接插件、安裝支座、緊固件等基礎(chǔ)資源?；A(chǔ)資源庫的建設(shè)作為提高設(shè)計效率的重要手段，可將重復(fù)建模、重復(fù)建材料的工作降低為零，極大地提高資源的共享及其使用效率。在三維CAD協(xié)同設(shè)計環(huán)境中，課題組梳理規(guī)劃了材料庫、緊固件庫、儀器設(shè)備成品件庫、電連接器庫、卡箍卡帶庫、安裝支座庫共六大類基礎(chǔ)資源庫；利用基礎(chǔ)數(shù)模、驅(qū)動尺寸和參數(shù)表，實(shí)現(xiàn)了多系列、多規(guī)格快速建模，并向協(xié)同設(shè)計環(huán)境中的所有用戶發(fā)布；有權(quán)限的用戶可以檢索、調(diào)用模型開展結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計；資源庫中的模型發(fā)生變化時，可以自動更新到所有調(diào)用設(shè)計模型中。

圖2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝一體化研制模式總體方案

3．復(fù)合材料MBD產(chǎn)品定義技術(shù)方法

MBD將設(shè)計、制造信息高度集成，是目前制造業(yè)普遍認(rèn)同的前沿數(shù)字化制造解決方案。MBD的核心思想是將設(shè)計、工藝、管理信息集成到模型中進(jìn)行統(tǒng)一管理，以三維模型為唯一數(shù)據(jù)源進(jìn)行設(shè)計制造傳遞，以數(shù)字化制造、檢測設(shè)備進(jìn)行幾何保證，用“數(shù)字化幾何”取代二維圖理念中的“尺寸幾何”概念。

近10年來，MBD在波音777產(chǎn)品研制中取得了巨大的成功，實(shí)現(xiàn)了全過程無紙化，進(jìn)而推廣到世界其它先進(jìn)飛行器研制過程中，國內(nèi)商飛C919飛機(jī)正在進(jìn)行研究應(yīng)用。航天企業(yè)在三維模型設(shè)計過程中也取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)步，但部分單位沒有完全理解MBD的內(nèi)涵，部分工程技術(shù)人員至今仍然糾結(jié)于“三維模型標(biāo)注哪些尺寸”的問題，卻不理解波音飛機(jī)三維零件數(shù)模基本不標(biāo)尺寸的原因，以至于只是按照傳統(tǒng)思路將二維圖的信息照搬到三維模型中去。三維標(biāo)注工作量異常繁重，將三維模型成為“電子圖紙”，導(dǎo)致在實(shí)際產(chǎn)品制造過程中出現(xiàn)許多不一致、不協(xié)調(diào)問題，后期更改維護(hù)工作量巨大，未能發(fā)揮MBD應(yīng)有的作用。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是設(shè)計人員沒有從模擬量的思維轉(zhuǎn)換到數(shù)字化的軌道上來，因?yàn)殚L期的二維圖設(shè)計使得“尺寸”的印記根深蒂固，殊不知尺寸是檢驗(yàn)人員在模線樣板制造時代量取兩點(diǎn)之間相對長度作為參照這個實(shí)踐起源。而在MBD數(shù)字化研制理念中，構(gòu)造幾何的點(diǎn)、線、面類似于數(shù)學(xué)中的“方程式”，某個零件的外表面，MBD思想可認(rèn)為是基于骨架模型建立的坐標(biāo)系下一個帶有復(fù)雜位置關(guān)系的數(shù)學(xué)方程，這個方程在設(shè)計人員的計算機(jī)中，也在制造人員的數(shù)字機(jī)床中，并同時出現(xiàn)在檢驗(yàn)人員的激光測量設(shè)備中，而不是與某個模具貼合的孤立曲面。

MBD數(shù)據(jù)定義是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝一體化研制模式實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，需提出合理可行的數(shù)據(jù)定義方案，一方面減少設(shè)計工作量，另一方面提高設(shè)計信息可理解性，同時還能夠適應(yīng)當(dāng)前的基礎(chǔ)設(shè)施條件。

圖3 完整的零件MBD 數(shù)據(jù)集定義示意

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)零件數(shù)據(jù)定義包括零件屬性、零件注釋、零件幾何、鋪層等信息，圖3為完整的零件MBD數(shù)據(jù)集定義，對于先進(jìn)碳纖維樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)沒有合金代碼、最終熱處理等項(xiàng)。

設(shè)計完成性能數(shù)據(jù)定義后，工藝人員依據(jù)設(shè)計信息在MBD模型基礎(chǔ)上完成鋪層料片數(shù)據(jù)定義并同時進(jìn)行工藝仿真分析，直至獲得鋪層工藝性良好的料片劃分方案，然后進(jìn)行成型精度仿真分析，用以指導(dǎo)模具工裝設(shè)計及成型工藝作業(yè)指導(dǎo)書編制。

4．基于IPD的復(fù)合材料管理模式

在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)品研制過程中采用IPD模式有利于整合不同單位的優(yōu)勢資源，將各種不協(xié)調(diào)問題集中暴露和解決，是當(dāng)前世界制造業(yè)的精益管理解決方案。相對于傳統(tǒng)模式，在詳細(xì)設(shè)計及資源設(shè)計階段或環(huán)節(jié)，IPD模式通過合理評估使設(shè)計與工藝流程重疊，即并行協(xié)同研制。在三維圖樣正式發(fā)放前，工藝人員便依據(jù)三維模型進(jìn)行工藝設(shè)計。審圖工作隨三維模型不斷完善且被分散或弱化到最后全三維MBD圖樣發(fā)放階段，經(jīng)電子化流程確認(rèn)即可。三維MBD模型成為設(shè)計與工藝協(xié)同的“語言”，簡化了整個設(shè)計及產(chǎn)品發(fā)放流程。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝一體化研制模式總體流程體系如圖4所示。

設(shè)計依據(jù)總體輸入完成產(chǎn)品性能設(shè)計及優(yōu)化，其中性能設(shè)計主要包括零件構(gòu)型（幾何）及接口定義，性能優(yōu)化主要包括組件布局及零件截面尺寸、構(gòu)型、鋪層等優(yōu)化。方案設(shè)計階段，工藝人員介入評估工藝可行性論證并進(jìn)行工藝改進(jìn)潛力分析，以利于后續(xù)設(shè)計及工藝方案持續(xù)改進(jìn)。方案初步凍結(jié)后開展詳細(xì)設(shè)計，設(shè)計完成MBD模型初步定義，包括全部的鋪層信息、材料信息、基準(zhǔn)及尺寸信息、技術(shù)要求等，進(jìn)行成熟度評估，由設(shè)計部門發(fā)放用于工藝設(shè)計的三維模型，工藝人員依據(jù)MBD模型同步開展工藝及其仿真，并向設(shè)計人員反饋相關(guān)信息，最終設(shè)計完成通過一系列設(shè)計人員審簽的產(chǎn)品定義并發(fā)放。制造執(zhí)行階段，在數(shù)字化設(shè)備支持下依據(jù)工藝人員生成的鋪層數(shù)據(jù)完成鋪層及產(chǎn)品成型。

航天器復(fù)合材料的廣泛運(yùn)用是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，研究數(shù)字化設(shè)計技術(shù)在航天器研制過程中的關(guān)鍵技術(shù)并進(jìn)行實(shí)踐總結(jié)，可以為推動航天器復(fù)合材料技術(shù)跨越提供重要支撐。復(fù)合材料設(shè)計工藝集成研制將成為今后我國航天企業(yè)技術(shù)的主要發(fā)展方向?！?/p>

圖4 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝一體化研制總體流程