工業(yè)4.0形勢下的結(jié)構(gòu)要素標(biāo)準(zhǔn)研究

任秀君

（沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司，遼寧 沈陽 110850）

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工業(yè)4.0形勢下的結(jié)構(gòu)要素標(biāo)準(zhǔn)研究

任秀君

（沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司，遼寧 沈陽 110850）

[摘要]主要介紹了結(jié)構(gòu)要素定義及應(yīng)用場景，結(jié)構(gòu)要素的分類、參數(shù)和數(shù)據(jù)構(gòu)成，闡述了根據(jù)國外結(jié)構(gòu)要素參數(shù)優(yōu)化方法的應(yīng)用和國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品應(yīng)用情況，在工業(yè)4.0新形勢下航空產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要素的標(biāo)準(zhǔn)研究與制定應(yīng)結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)優(yōu)勢，制定依托大數(shù)據(jù)支撐的結(jié)構(gòu)要素標(biāo)準(zhǔn)群。為智能設(shè)計和制造提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，推動航空制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

[關(guān)鍵詞]結(jié)構(gòu)要素；航空產(chǎn)品；標(biāo)準(zhǔn)；研究

[收修訂稿日期] 2016-03-11

結(jié)構(gòu)要素在航空產(chǎn)品上大量使用，其數(shù)據(jù)給定是否科學(xué)對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性、結(jié)構(gòu)強度、壽命、工藝實現(xiàn)性有一定的影響。一方面是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要組成部分，其數(shù)據(jù)選取的科學(xué)性將影響到產(chǎn)品的疲勞強度及壽命要求。另一方面，是制造可行性的組成部分，是面向智能制造的底層數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)可作為制造元特征與工藝策略等進行數(shù)控加工，影響到部分加工參數(shù)的選取。

1 概述

1.1 結(jié)構(gòu)要素定義及應(yīng)用場景

組成零件的各機械加工表面稱為結(jié)構(gòu)要素。結(jié)構(gòu)要素為構(gòu)成其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)最基本單元的元素，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造過程中離不開結(jié)構(gòu)要素。以結(jié)構(gòu)件為例，圓角半徑、過渡形式與尺寸等、彎邊、型材桁條缺口均為結(jié)構(gòu)要素。以螺紋連接件為例，螺紋尺寸、頭部與桿部連接半徑R、螺紋引導(dǎo)、毛坯直徑等數(shù)據(jù)均從相關(guān)結(jié)構(gòu)要素標(biāo)準(zhǔn)中提取。

結(jié)構(gòu)要素數(shù)據(jù)一方面是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要組成部分，其數(shù)據(jù)選取的科學(xué)性將影響到產(chǎn)品的疲勞強度及壽命要求，經(jīng)統(tǒng)計分析，螺栓頭部與桿部連接半徑R處、螺紋收尾處、螺紋部分導(dǎo)致螺桿疲勞斷裂的機率分別為15%、65%、20%。其型式、尺寸規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)化將直接影響產(chǎn)品聯(lián)接、互換配套和加工工藝等；另一方面是制造可行性要求的組成部分，是面向智能制造的底層數(shù)據(jù)，如鑄造斜度、退刀槽等，其數(shù)據(jù)可作為制造元特征與工藝策略等進行數(shù)控加工，影響到工具規(guī)格的選取。

1.2 結(jié)構(gòu)要素的分類

結(jié)構(gòu)要素不能脫離于產(chǎn)品而獨立存在，按照應(yīng)用領(lǐng)域可分為機械通用結(jié)構(gòu)要素、航空產(chǎn)品專用結(jié)構(gòu)要素。其中：

● 機械通用結(jié)構(gòu)要素主要應(yīng)用在軍工產(chǎn)品非承力結(jié)構(gòu)部位，應(yīng)用環(huán)境、應(yīng)用部位均應(yīng)為一般性結(jié)構(gòu)，如中心孔、滾花等，具有通用性；

● 航空產(chǎn)品專用結(jié)構(gòu)要素主要基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點、材料性能、工藝條件、應(yīng)用環(huán)境、應(yīng)用部位等要求形成，主要涵蓋聯(lián)接結(jié)構(gòu)要素、傳動結(jié)構(gòu)要素、典型件結(jié)構(gòu)要素。其中，聯(lián)接結(jié)構(gòu)要素主要包括螺紋、焊接結(jié)構(gòu)要素、鉚接結(jié)構(gòu)要素、鍵及鍵連接要素、法蘭盤結(jié)構(gòu)要素等標(biāo)準(zhǔn)；傳動結(jié)構(gòu)要素主要包括齒輪件結(jié)構(gòu)要素、鏈要素等標(biāo)準(zhǔn)；典型件結(jié)構(gòu)要素主要包括機加件結(jié)構(gòu)要素、鈑金件結(jié)構(gòu)要素、鑄件結(jié)構(gòu)要素、鍛件結(jié)構(gòu)要素、復(fù)合材料件結(jié)構(gòu)要素等。

1.3 結(jié)構(gòu)要素的參數(shù)和數(shù)據(jù)構(gòu)成

結(jié)構(gòu)要素數(shù)據(jù)主要涵蓋基本單元的尺寸系列、結(jié)構(gòu)型式、參數(shù)系列，是附屬在典型產(chǎn)品上體現(xiàn)的，主要涉及的參數(shù)見圖1所示。該數(shù)據(jù)主要基于產(chǎn)品材料特性、結(jié)構(gòu)要求、疲勞強度要求、可制造性要求、成形方法等因素形成。表1簡單說明標(biāo)準(zhǔn)中主要數(shù)據(jù)的構(gòu)成情況。

圖1 結(jié)構(gòu)要素主要參數(shù)說明

表1 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)數(shù)據(jù)說明示例

2 國外結(jié)構(gòu)要素參數(shù)優(yōu)化方法的應(yīng)用

2.1 推行產(chǎn)品幾何精確定義理念和方法

對于設(shè)計人員而言，對產(chǎn)品幾何進行精確定義的過程，是運用產(chǎn)品幾何規(guī)范定義（GPS標(biāo)準(zhǔn)）理念、借助信息化手段規(guī)定產(chǎn)品允許變動極限的過程。按照GPS標(biāo)準(zhǔn)理論，需要經(jīng)過規(guī)范過程的表達，將設(shè)計意圖轉(zhuǎn)換為對特定幾何特征的要求，規(guī)范過程見圖2。設(shè)計人員定義理想模型，以公稱模型為基礎(chǔ)對相關(guān)幾何要素進行分離、提取、濾波、擬合、集成、評估等規(guī)范操作。同時，在滿足功能要求前提下考慮經(jīng)濟性要求，通過軟件計算指導(dǎo)公差設(shè)計，求出幾何要素允許的最大變動量，確定滿足設(shè)計要求的檢驗和操作方法，標(biāo)注所確定的幾何信息。

圖2 規(guī)范過程

2.2 應(yīng)用基于加工仿真的設(shè)計和優(yōu)化集成等新方法

改變零件結(jié)構(gòu)是設(shè)計階段的工作，但在并行工程應(yīng)用日益廣泛的先進企業(yè)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段應(yīng)考慮到零件的加工制造問題，將影響加工質(zhì)量的因素包含在零件的尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計中。應(yīng)用基于加工仿真的設(shè)計和集成方法，帶來設(shè)計流程的改變，可以進行尺寸優(yōu)化（如壁板厚度、孔徑尺寸的優(yōu)化）、結(jié)構(gòu)優(yōu)化（如孔或空腔形式的優(yōu)化）、功能優(yōu)化（如孔的數(shù)目和分布帶來強度的優(yōu)化）。在產(chǎn)品設(shè)計最初階段，數(shù)據(jù)選取一般取決于設(shè)計者的直覺和經(jīng)驗，而其優(yōu)化程度對零件性能影響最大，也影響后續(xù)尺寸和形狀優(yōu)化。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在國外航空企業(yè)得到了成功應(yīng)用?？湛凸静捎猛?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對A380飛機壁板等結(jié)構(gòu)件進行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)每架客機減重1 000kg的重大突破，及其革命性的技術(shù)創(chuàng)新獲得了2003年度空中客車公司設(shè)立的技術(shù)創(chuàng)新金獎。在對A380機翼前緣肋進行尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化過程中，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果，開發(fā)出一整套桁架和剪切板混合的設(shè)計方案。在桁架結(jié)構(gòu)的中央增加了豎直的硬板，從而為單面加工的肋板生成T型的截面并為雙面加工的肋板生成十字型的截面，確定一個擁有最佳載荷路徑的設(shè)計方案。

2.3 積累產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要素領(lǐng)域基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)

國外航空裝備制造商對基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)給予足夠重視，并不斷收集和分析外場數(shù)據(jù)并配合試驗手段，形成大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。例如，美國在60年代末提出了“發(fā)動機結(jié)構(gòu)完整性研究計劃”， 積累了大量經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，為后續(xù)型號研制提供技術(shù)支撐，如發(fā)布相關(guān)數(shù)據(jù)要求“嚴(yán)格控制榫槽底裂紋，監(jiān)視裂紋發(fā)展，嚴(yán)格控制裂紋允許長度”、“輪盤輪轂上不開斜孔，開斜孔后會產(chǎn)生高應(yīng)力集中”等。

3 國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品應(yīng)用情況

經(jīng)統(tǒng)計，現(xiàn)有國軍標(biāo)4項，航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)39項，主要涉及到螺紋、機加件結(jié)構(gòu)要素、鈑金件結(jié)構(gòu)要素和鑄件結(jié)構(gòu)要素。其中，對于國軍標(biāo)而言，主要對象為MJ螺紋；對于航標(biāo)，主要從俄制標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化而來，面向尺寸規(guī)格小的鈑金件、機加件結(jié)構(gòu)，并且可適用的材料有限，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足航空裝備精度高、尺寸大、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的功能需求以及新材料的需求。

4 發(fā)展方向

4.1 實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)從國外引進向自主研發(fā)模式轉(zhuǎn)變

上世紀(jì)50年代初，航空結(jié)構(gòu)要素標(biāo)準(zhǔn)仿制原蘇標(biāo)，基本解決了標(biāo)準(zhǔn)有無的問題。之后吸收轉(zhuǎn)包生產(chǎn)中得到的經(jīng)驗，但數(shù)據(jù)零散、不成系統(tǒng)，且多為滿足可制造性的相關(guān)要求，缺少對疲勞壽命設(shè)計選用的結(jié)構(gòu)要素數(shù)據(jù)。對于轉(zhuǎn)包生產(chǎn)中特定要求有效的，是否適宜自研產(chǎn)品的材料要求、工況要求和結(jié)構(gòu)要求等未進行科學(xué)驗證。隨著國防軍工技術(shù)由引進集成向自主創(chuàng)新的轉(zhuǎn)變，產(chǎn)品研發(fā)過程中對標(biāo)準(zhǔn)化有了新的需求。

4.2 實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的優(yōu)化

對于設(shè)計人員而言，對產(chǎn)品幾何進行精確定義的過程，是運用幾何規(guī)范定義理念、借助信息化手段規(guī)定產(chǎn)品允許變動極限的過程。設(shè)計人員定義理想模型、以理想模型為基礎(chǔ)對相關(guān)幾何要素進行分離、提取、濾波、擬合和評估等規(guī)范操作。同時在滿足功能的前提下考慮經(jīng)濟性要求，通過軟件計算指導(dǎo)公差設(shè)計，求出幾何要素的最大變動量，確定滿足設(shè)計要求的校驗和操作方法，標(biāo)注所確定的幾何信息。

在并行工程應(yīng)用日益廣泛的企業(yè)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段就考慮到零件的加工制造問題，將影響加工質(zhì)量的因素包括到零件設(shè)計中?；诩庸し抡嬖O(shè)計，可以進行尺寸優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和功能優(yōu)化。

4.3 實現(xiàn)對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要素領(lǐng)域缺乏基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)研究的積累

我國航空產(chǎn)品型號的研制過程中使用的相關(guān)結(jié)構(gòu)要素數(shù)據(jù)，多由轉(zhuǎn)包生產(chǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化形成，缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)研究成果的積累，設(shè)計人員只能憑借經(jīng)驗和繼承以往圖紙進行選用，在裝備外場過程中出現(xiàn)了由于基礎(chǔ)性結(jié)構(gòu)要素應(yīng)用不當(dāng)帶來產(chǎn)品故障甚至經(jīng)濟損失的情況。

4.4 實現(xiàn)對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要素綜合驗證支持設(shè)計和制造合理性

為了滿足新一代軍工產(chǎn)品減重、長壽命和高可靠性的技術(shù)指標(biāo)以及經(jīng)濟性的要求，除了研究新材料以不斷提高材料性能外，必然也要對新材料零部件的設(shè)計與制造提出了極大的挑戰(zhàn)。在當(dāng)前裝備數(shù)字化協(xié)同研制模式下，設(shè)計方與制造方聯(lián)系更加緊密，針對零部件結(jié)構(gòu)形式中所蘊含的相關(guān)結(jié)構(gòu)要素構(gòu)成合理性，需要根據(jù)工藝基礎(chǔ)試驗不斷進行設(shè)計優(yōu)化和更改。在這個反復(fù)迭代的過程中，不管是鑒于新材料性能未知性和新工藝的復(fù)雜性，還是零部件研發(fā)的緊迫性，設(shè)計方往往缺乏對結(jié)構(gòu)要素之于產(chǎn)品性能因素的系統(tǒng)、綜合考慮。而制造方又經(jīng)常限于生產(chǎn)進度安排或試驗驗證手段的匱乏，只是根據(jù)設(shè)計方提供的幾組結(jié)構(gòu)要素組合的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式開展次數(shù)有限的工藝基礎(chǔ)試驗，往往是當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)故障時才針對具體問題開展相關(guān)數(shù)據(jù)的分析驗證。

5 結(jié)構(gòu)要素標(biāo)準(zhǔn)研究方向及目標(biāo)

5.1 研究方向

工業(yè)4.0形勢下的結(jié)構(gòu)要素標(biāo)準(zhǔn)研究應(yīng)面向軍工產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要素定義，依托于新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)、新方法的應(yīng)用需求，依據(jù)“特征統(tǒng)計分析—特征參數(shù)理論研究—特征參數(shù)仿真優(yōu)化—特征參數(shù)試驗驗證—標(biāo)準(zhǔn)制定—標(biāo)準(zhǔn)貫徹實施—標(biāo)準(zhǔn)反饋改進”的主要工作思路，形成典型結(jié)構(gòu)抗疲勞優(yōu)化分析能力、結(jié)構(gòu)要素數(shù)據(jù)試驗驗證能力、完備的結(jié)構(gòu)要素標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)能力，提供與軍工產(chǎn)品研制生產(chǎn)發(fā)展相適應(yīng)的、權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)參照數(shù)據(jù)，建設(shè)行業(yè)統(tǒng)一、規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)群，滿足在今后較長時期內(nèi)軍工產(chǎn)品對結(jié)構(gòu)要素標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用需要，全力支撐國防科技工業(yè)的發(fā)展和競爭力提升。

5.2 各階段目標(biāo)

5.2.1 特征統(tǒng)計分析階段

主要對典型結(jié)構(gòu)要素應(yīng)用的結(jié)構(gòu)部位、材料選用范圍、現(xiàn)有材料系列、工藝條件、精度等級要求和配合方式等內(nèi)容進行統(tǒng)計；同時，針對設(shè)計階段、工藝階段和外場使用階段因結(jié)構(gòu)要素參數(shù)選取不當(dāng)引起的故障問題進行全面調(diào)研，統(tǒng)計，形成基礎(chǔ)大數(shù)據(jù)。

5.2.2 特征參數(shù)理論研究階段

綜合應(yīng)用條件和應(yīng)用要求等開展研究不同結(jié)構(gòu)形式、不同參數(shù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)選取對產(chǎn)品強度及工藝實現(xiàn)性的影響，研究結(jié)構(gòu)要素尺寸序列規(guī)律、配套工具及工藝方法，結(jié)構(gòu)要素標(biāo)準(zhǔn)與工藝標(biāo)準(zhǔn)、檢測方法和檢測工具標(biāo)準(zhǔn)等外部條件的配套關(guān)系。

5.2.3 特征參數(shù)仿真優(yōu)化階段

依據(jù)典型產(chǎn)品、典型結(jié)構(gòu)形式、典型尺寸系列、典型加工方法和典型表面質(zhì)量要求，使用傳統(tǒng)的基于變形能的拓?fù)鋬?yōu)化方法，根據(jù)穩(wěn)定性和應(yīng)力約束的要求使用尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化方法，進行典型結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀數(shù)據(jù)，應(yīng)用疲勞壽命預(yù)估方法進行優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析，數(shù)據(jù)迭代后形成最優(yōu)的參考數(shù)據(jù)。

5.2.4 特征參數(shù)試驗驗證階段

根據(jù)零件所受載荷情況制造試件，從幾何參數(shù)、性能要求等方面進行試驗，進而獲取真實試驗數(shù)據(jù)，對優(yōu)化計算結(jié)構(gòu)進行驗證。

5.2.5 標(biāo)準(zhǔn)制定階段

依據(jù)應(yīng)用研究階段得出的仿真數(shù)據(jù)和試驗驗證數(shù)據(jù)，結(jié)合軍工產(chǎn)品的特定需求、工作部位和結(jié)構(gòu)要求等情況，對所需的參數(shù)內(nèi)容進行確定，最終形成結(jié)構(gòu)要素標(biāo)準(zhǔn)群。

5.2.6 標(biāo)準(zhǔn)貫徹實施階段

開發(fā)數(shù)字化手段的應(yīng)用模塊，通過在線培訓(xùn)等形式進行標(biāo)準(zhǔn)的宣貫，并針對具體應(yīng)用情況進行應(yīng)用問題診斷，為標(biāo)準(zhǔn)反饋改進提供基礎(chǔ)。

5.2.7 標(biāo)準(zhǔn)反饋改進階段

基于標(biāo)準(zhǔn)貫徹實施階段收集的情況，分析具體問題，對標(biāo)準(zhǔn)要素進一步優(yōu)化確認(rèn)更改。

6 結(jié)束語

結(jié)構(gòu)要素是面向智能制造的底層數(shù)據(jù)，也是最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)。結(jié)合工業(yè)4.0下的大數(shù)據(jù)優(yōu)勢，對結(jié)構(gòu)要素標(biāo)準(zhǔn)進行研究，是基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)中極其重要的研究，不僅能夠為設(shè)計和工藝提供結(jié)構(gòu)形式，最重要的是可以為智能設(shè)計和制造提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，以權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)參照數(shù)據(jù)，統(tǒng)一、規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)群來推動航空制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，成為打造智能工廠的一劑良方。

（編輯：雨晴）

[中圖分類號]T-65

[文獻標(biāo)識碼]C

[文章編號]1003-6660（2016）03-0010-05

[DOI編碼]10.13237/j.cnki.asq.2016.01.003