協(xié)調(diào)用民用飛機(jī)數(shù)字樣機(jī)完整性初步研究

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(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

0　引言

數(shù)字樣機(jī)是對(duì)產(chǎn)品的真實(shí)化、集成化的虛擬仿真，用于工程設(shè)計(jì)、干涉檢查、機(jī)構(gòu)仿真、產(chǎn)品拆裝、加工制造和維護(hù)檢測等模擬環(huán)境。由于民機(jī)研制的高度復(fù)雜性以及長周期性，基于數(shù)字樣機(jī)來進(jìn)行數(shù)字化預(yù)裝配、工裝設(shè)計(jì)及可制造性分析己成為現(xiàn)代民用航空制造業(yè)的趨勢，并已在民機(jī)研制過程中有了廣泛的應(yīng)用。如波音777項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)在民機(jī)領(lǐng)域采用全數(shù)字化定義和無圖紙生產(chǎn)，其10萬多個(gè)零部件實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化設(shè)計(jì)，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字化預(yù)裝配、設(shè)計(jì)更改，零件返工率減少93%以上，裝配問題減少50%～80%[1]。我國某型號(hào)飛機(jī)采用數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，建成了可全面用于生產(chǎn)的全機(jī)數(shù)字樣機(jī)，相比于傳統(tǒng)方法，縮短了60%的設(shè)計(jì)周期、減少了40%的設(shè)計(jì)反復(fù)[2]。

1　完整性的定義

協(xié)調(diào)用數(shù)字樣機(jī)可以用來檢查飛機(jī)各系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性，進(jìn)行總體優(yōu)化布置[3]。數(shù)字樣機(jī)有2個(gè)重要的屬性，即完整性與正確性。完整性是個(gè)很寬泛的定義，涉及到方方面面，與飛機(jī)的數(shù)字化定義、產(chǎn)品數(shù)據(jù)的構(gòu)型管理、數(shù)字樣機(jī)管理、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management，簡稱PDM)等均有一定關(guān)系。協(xié)調(diào)用數(shù)字樣機(jī)完整性包含兩個(gè)方面，其一是數(shù)字樣機(jī)模塊內(nèi)部完整性，包括：(1)各模塊下零組件的裝配關(guān)系及信息是否完整；(2)零組件數(shù)據(jù)集信息是否完整；(3)零組件下裝配的成品、元器件和標(biāo)準(zhǔn)件是否完整。

其二是協(xié)調(diào)用數(shù)字樣機(jī)在研制的各階段，各類數(shù)字樣機(jī)(如結(jié)構(gòu)樣機(jī)、系統(tǒng)樣機(jī)、分區(qū)樣機(jī)等)的完備性，包括：(1)數(shù)字樣機(jī)模塊是否有遺漏或缺失；(2)數(shù)字樣機(jī)模塊數(shù)據(jù)源的傳遞是否完整。

本文所定義的完整性，是個(gè)相對(duì)的概念，是對(duì)應(yīng)于飛機(jī)的某個(gè)研制階段而言的。本文完整性基于正式飛機(jī)數(shù)字樣機(jī)協(xié)調(diào)狀態(tài)，用于描述數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)輸入結(jié)果的完備性。

2　完整性的意義

民用飛機(jī)數(shù)字樣機(jī)研制過程，也就是對(duì)全機(jī)數(shù)字化定義不斷完善的過程，在基于數(shù)字化產(chǎn)品數(shù)據(jù)做有效協(xié)調(diào)與管理時(shí)，首先就要確保協(xié)調(diào)用數(shù)字樣機(jī)所描述產(chǎn)品數(shù)據(jù)的及時(shí)完整。完整性的意義在于能充分發(fā)揮數(shù)字樣機(jī)技術(shù)在民機(jī)研發(fā)過程中縮短研制周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、減少設(shè)計(jì)反復(fù)的優(yōu)勢，及時(shí)高效地發(fā)現(xiàn)、協(xié)調(diào)、解決飛機(jī)設(shè)計(jì)中的各類空間定位與幾何接口問題。完整性還有助于提高數(shù)字樣機(jī)的協(xié)調(diào)性與相關(guān)設(shè)計(jì)工作的準(zhǔn)確性，提升設(shè)計(jì)結(jié)果的成熟度。因此完整性是基于數(shù)字樣機(jī)開展有效協(xié)調(diào)工作的前提與基礎(chǔ)。

換言之，如果數(shù)字樣機(jī)的完整性不能保證，則會(huì)對(duì)后續(xù)數(shù)字樣機(jī)檢查與驗(yàn)證等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的有效性帶來一定隱患。如產(chǎn)品數(shù)據(jù)的遺漏或缺失而造成后續(xù)設(shè)計(jì)更改，帶來不必要的重復(fù)協(xié)調(diào)與設(shè)計(jì)，進(jìn)而延長研制周期、增加研制成本；如果問題未及時(shí)排除，遺留至飛機(jī)研制的后期，可能使工程更改花費(fèi)巨大，周期更長。若涉及到多專業(yè)界面的更改，比如在飛機(jī)上空間狹小、系統(tǒng)密集布置的區(qū)域出現(xiàn)此類問題，無疑加大了設(shè)計(jì)更改難度。因此對(duì)于協(xié)調(diào)用的數(shù)字樣機(jī)，需要提高數(shù)字樣機(jī)的研制質(zhì)量，以確保飛機(jī)各研制階段的數(shù)字樣機(jī)的完整性。

3　完整性的關(guān)鍵點(diǎn)

鑒于數(shù)字樣機(jī)完整性在數(shù)字樣機(jī)研制中的重要作用與地位，如何快速、便捷、有效地確保數(shù)字樣機(jī)的完整性是一個(gè)亟待探索與研究的課題。

民用飛機(jī)協(xié)調(diào)用數(shù)字樣機(jī)完整性屬于民用飛機(jī)數(shù)字化技術(shù)的一個(gè)方面，與飛機(jī)主制造商的信息化、數(shù)字化技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用是相關(guān)的。為確保飛機(jī)協(xié)調(diào)用數(shù)字樣機(jī)的完整性，需在民用飛機(jī)數(shù)字化技術(shù)的建模規(guī)則、協(xié)調(diào)流程、管理制度等幾個(gè)方面開展相關(guān)深入研究與分析，下面分別詳細(xì)論述。

3.1 數(shù)字樣機(jī)建模規(guī)范與數(shù)據(jù)傳遞規(guī)則

產(chǎn)品數(shù)據(jù)的數(shù)字化定義是民用飛機(jī)實(shí)施數(shù)字化的關(guān)鍵一步，而產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的規(guī)范化則是實(shí)施數(shù)字化的重要內(nèi)容，對(duì)于縮短研發(fā)周期、保證產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本具有重要作用[4]。在數(shù)字樣機(jī)研制過程中，需明確飛機(jī)數(shù)字樣機(jī)的數(shù)據(jù)要求、管理范圍及方法，其具體內(nèi)容包括：制定基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源的產(chǎn)品建模、標(biāo)注、質(zhì)量、設(shè)計(jì)流程、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等規(guī)范，確保各產(chǎn)品數(shù)據(jù)能夠兼容、完整記錄；實(shí)施好PDM系統(tǒng)與CAD(Computer Aided Design)設(shè)計(jì)軟件的集成與管理，通過制定與開發(fā)PDM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的有效保存、記錄、檢測。

民用飛機(jī)數(shù)字樣機(jī)的數(shù)據(jù)量極大，且往往涉及到異地跨區(qū)域的并行協(xié)同設(shè)計(jì)，國內(nèi)、國際合作供應(yīng)商眾多，因此確保數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一對(duì)于數(shù)據(jù)完整傳遞是非常重要的，需要重視以下幾點(diǎn)。

1)考慮到協(xié)調(diào)的便捷性與快速性，應(yīng)定義協(xié)調(diào)用數(shù)字樣機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)屬性的要求。

2)需明確協(xié)調(diào)用數(shù)字樣機(jī)與數(shù)字化定義的數(shù)據(jù)源之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化與傳遞方法，確保數(shù)據(jù)的傳遞質(zhì)量滿足要求，此外還應(yīng)關(guān)注如何發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)化的錯(cuò)誤，盡量做到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果的可視化。

3)借助PDM平臺(tái)的管理工具，以快速、高效地獲取所需的協(xié)調(diào)用各種類數(shù)字樣機(jī)，減少人為因素造成的錯(cuò)誤。

4)做好對(duì)數(shù)據(jù)傳遞的監(jiān)督工作，制定相應(yīng)的問題解決措施與制度，確保數(shù)據(jù)的完整傳遞。

5)數(shù)字模型發(fā)放時(shí)要檢查和保證各節(jié)點(diǎn)與其所關(guān)聯(lián)的三維數(shù)字模型的完整性。

以基于模型的定義(Model Based Definition，簡稱MBD)技術(shù)為例(目前主流的三維數(shù)字樣機(jī)定義技術(shù))，MBD指在三維模型中集成公差、尺寸等注釋性標(biāo)注、產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息、制造要求等以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面描述，滿足該產(chǎn)品在全生命周期中各種需求的一種數(shù)字化的定義產(chǎn)品方式[5]，如圖1所示。實(shí)施MBD技術(shù)，需要詳細(xì)定義基于MBD的通用建模標(biāo)準(zhǔn)(包含關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)體模型，零件坐標(biāo)系統(tǒng)，尺寸、公差和標(biāo)注，工程說明，材料需求，其它定義數(shù)據(jù)等)。為了滿足MBD協(xié)同設(shè)計(jì)及并行設(shè)計(jì)要求，還需要建立MBD數(shù)字樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)、MBD模型的簡化標(biāo)準(zhǔn)等。

圖1　基于MBD的數(shù)字樣機(jī)模型設(shè)計(jì)

3.2 優(yōu)化數(shù)字樣機(jī)協(xié)調(diào)流程

總體布置設(shè)計(jì)人員通過協(xié)調(diào)用數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)時(shí)，考慮到飛機(jī)龐大的數(shù)據(jù)量，通常的做法是采用分區(qū)域或分部段管理與協(xié)調(diào)，對(duì)于區(qū)域或部段級(jí)數(shù)字樣機(jī)，由于涉及到的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)樣機(jī)的數(shù)量眾多，在實(shí)際協(xié)調(diào)過程中特別容易出現(xiàn)數(shù)字樣機(jī)的缺失進(jìn)而影響完整性。針對(duì)這種情況，需要重視并做好以下幾項(xiàng)工作。

1)不同區(qū)域或部段接口的協(xié)調(diào)

需要定義與協(xié)調(diào)好不同部段或區(qū)域幾何接口控制界面，盡量避免相關(guān)系統(tǒng)數(shù)字樣機(jī)模塊跨部段或區(qū)域劃分，比如可以采用基于部段的模塊化定義與設(shè)計(jì)；如不能避免，則要做好接口界面控制與協(xié)調(diào)，避免遺漏缺失，盡量保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)在接口界面的協(xié)調(diào)一致性，圖2為飛機(jī)采用了接口定義的模型示意。

2)數(shù)字樣機(jī)動(dòng)態(tài)管理

由于基于數(shù)字樣機(jī)開展的飛機(jī)總體布置協(xié)調(diào)是多專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)的過程，最大的特點(diǎn)是變，體現(xiàn)在幾個(gè)方面：(1)布置方案存在變化，在數(shù)字樣機(jī)研制初期，系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)布置的多方案權(quán)衡階段尤為突出，數(shù)字樣機(jī)也就處于一個(gè)相對(duì)多變與不確定的狀態(tài)；(2)飛機(jī)上各系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)以及各部段的協(xié)調(diào)狀態(tài)與成熟度不一致也會(huì)使數(shù)字樣機(jī)在較長階段處于一個(gè)“協(xié)調(diào)-更改-協(xié)調(diào)”的變化之中；(3)數(shù)字樣機(jī)變更不及時(shí)而存在與協(xié)調(diào)狀態(tài)的不一致性問題。這些變化如不管理好，會(huì)對(duì)飛機(jī)數(shù)字樣機(jī)的完整性帶來挑戰(zhàn)。

基于以上幾個(gè)因素，一方面可以借助相應(yīng)的PDM系統(tǒng)管理工具與手段，盡量做到各類數(shù)字樣機(jī)的組建便捷、狀態(tài)清晰、傳遞準(zhǔn)確、追溯簡單、實(shí)時(shí)記錄，實(shí)現(xiàn)一定程度的動(dòng)態(tài)管理，以方便對(duì)相應(yīng)協(xié)調(diào)狀態(tài)下的數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行完整的檢索與獲取。另一方面需要完善數(shù)字樣機(jī)相應(yīng)的協(xié)調(diào)或管理流程，必要時(shí)需梳理與查找整個(gè)數(shù)字樣機(jī)流程控制過程中的缺陷，確保數(shù)字樣機(jī)狀態(tài)與協(xié)調(diào)狀態(tài)保持一致。

3)構(gòu)型更改評(píng)估

圖3　DMU模塊更改評(píng)估流程

規(guī)劃好相應(yīng)的數(shù)字樣機(jī)模型的構(gòu)型更改流程，對(duì)于模型更改、增加、取消，需要做到慎重評(píng)估與記錄，以確定其對(duì)現(xiàn)有數(shù)字樣機(jī)協(xié)調(diào)的影響范圍與程度，并采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)方案，基于DMU模型更改的評(píng)估流程如圖3所示。同樣也可以借助于相關(guān)PDM系統(tǒng)管理工具，以實(shí)現(xiàn)構(gòu)型更改引起的數(shù)字樣機(jī)模型的變化及時(shí)反饋到協(xié)調(diào)用數(shù)字樣機(jī)中，做到不影響數(shù)字樣機(jī)完整性，確保數(shù)字樣機(jī)狀態(tài)清楚、可控。

3.3加強(qiáng)數(shù)字樣機(jī)日常管理

數(shù)字樣機(jī)管理制度與機(jī)制也對(duì)確保數(shù)字樣機(jī)完整性有重要作用，在飛機(jī)數(shù)字樣機(jī)研制過程中，需組建數(shù)字樣機(jī)研制的管理/協(xié)調(diào)團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)人員應(yīng)涵蓋總體、系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)等各個(gè)專業(yè)的人員，用于日常的數(shù)字樣機(jī)協(xié)調(diào)與管理。

為保證數(shù)字樣機(jī)的完整性，在數(shù)字樣機(jī)研制與維護(hù)過程中，需加強(qiáng)相應(yīng)的管理與控制，重視以下幾點(diǎn)。

1)根據(jù)數(shù)字樣機(jī)協(xié)調(diào)區(qū)或部段的劃分，做好協(xié)調(diào)人員的合理分工，設(shè)置A、B角工作制度，明確職責(zé)，相互交流；同時(shí)定人定崗，盡量減少人員變動(dòng)，如人員變動(dòng)時(shí)做好工作交接與過渡。

2)不同部段或協(xié)調(diào)區(qū)接口負(fù)責(zé)人員要定期交流溝通，界面周邊需一起協(xié)調(diào)，反復(fù)確認(rèn)。

3)定期組織進(jìn)行數(shù)字樣機(jī)專項(xiàng)檢查，對(duì)于發(fā)現(xiàn)的不合理的細(xì)節(jié)區(qū)域要細(xì)致檢查，(如樣機(jī)上有支架卻沒有系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)有開孔卻沒有管線路通過等)，確保不遺漏、不缺失。

對(duì)于發(fā)現(xiàn)的完整性的問題，要舉一反三，找到問題的癥結(jié)，制定相應(yīng)的糾正措施，并落實(shí)到相應(yīng)的制度與管理規(guī)范上，避免問題再次出現(xiàn)。同時(shí)專人負(fù)責(zé)對(duì)PDM系統(tǒng)監(jiān)督與維護(hù)，確保系統(tǒng)能滿足使用需求，并定期根據(jù)協(xié)調(diào)反饋的問題或提出的優(yōu)化及改進(jìn)建議，完善系統(tǒng)相關(guān)功能或開發(fā)新的功能。

4　總結(jié)與展望

完整性是民用飛機(jī)數(shù)字樣機(jī)研制的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，在數(shù)字樣機(jī)的研制過程中應(yīng)注重產(chǎn)品的數(shù)字化定義與數(shù)據(jù)的規(guī)范化，科學(xué)開發(fā)與優(yōu)化數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)與協(xié)調(diào)流程，健全與完善數(shù)字樣機(jī)團(tuán)隊(duì)的管理，努力提升數(shù)字樣機(jī)完整性。

隨著數(shù)字樣機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，其在民用飛機(jī)研制過程中應(yīng)用的廣度與深度均進(jìn)一步加深，譬如數(shù)字樣機(jī)的涵蓋概念不局限于飛機(jī)的幾何屬性，還延伸至飛機(jī)的功能屬性[6]，因此數(shù)字樣機(jī)完整性還有待進(jìn)一步研究。