基于MBD的航天航空融合空天飛行器復合材料結構協(xié)同設計制造探索

◎中國運載火箭技術研究院空天業(yè)務部 王悅 吳迪 鄧云飛 王月

未來新型航天器將是航天航空兩大技術體系融合的產(chǎn)品，具有技術領域廣、參研單位多、協(xié)調難度大、計劃周期緊等特點，要實現(xiàn)設計體系的跨域融合依然任重道遠。為此，中國運載火箭技術研究院空天業(yè)務部在某國防領域重要型號研制過程中深入探索基于MBD的航天航空融合空天飛行器復合材料結構協(xié)同設計制造之路，為新型航天器研制和飛行試驗成功奠定了堅實的基礎。

一、新型航天器跨域融合之路

對于航天已有的協(xié)同設計，主要基于PRO/E 及其配套的PDM 系統(tǒng)進行設計和管理，已保障了多個運載火箭、衛(wèi)星和飛船的順利研制。但是對于新型航天器研制而言，航天航空設計體系的跨域融合依然是一座高山，對于具有鮮明航空特色的著陸架、阻力傘設計，復雜空間雙曲面機身、機翼、舵面外形，大量類似飛機零件給航天器的設計帶來了挑戰(zhàn)，同時新型航天器還肩負著新功能、新技術、新發(fā)展的歷史使命，高性能全復合材料的設計與應用，設計與工藝一體化協(xié)同，協(xié)同系統(tǒng)的智能化知識化定制，標準化三維模型流程，避免設計與制造系統(tǒng)異構實現(xiàn)數(shù)據(jù)源統(tǒng)一等系列要求，都使當前新型飛行器的發(fā)展略顯局促。

航天現(xiàn)有設計系統(tǒng)對于新型航天器項目研制的高效、高質量要求不足已凸顯，因此，某新型航天器研制團隊以IPT 為應用背景，借鑒國內外先進協(xié)同設計技術，設計并構建了全三維在線協(xié)同平臺，實現(xiàn)了基于“唯一數(shù)據(jù)源”的設計與生產(chǎn)的協(xié)同研發(fā)，采用五步走戰(zhàn)略實現(xiàn)數(shù)字化平臺的終極大成。

1、構筑基于基礎資源層、支撐平臺層、流程驅動層三位一體的數(shù)字化研發(fā)體系

以項目研制目標為牽引，構筑基于基礎資源層、支撐平臺層、流程驅動層三位一體的數(shù)字化研發(fā)體系，形成相關標準規(guī)范和知識手冊，探索基于數(shù)字化、集成化、標準化、面向全壽命周期的精益管理技術，有效解決航天新型產(chǎn)品數(shù)字化精益研制和質量管理結合難的問題。

2、建立支持多系統(tǒng)協(xié)同、多學科優(yōu)化數(shù)字化設計環(huán)境

面向項目結構機構產(chǎn)品研制需求，建設產(chǎn)品數(shù)字化協(xié)同設計研發(fā)平臺和精益管理兩個環(huán)境，保障多系統(tǒng)實施在線三維協(xié)同設計和狀態(tài)管控，實現(xiàn)各個專業(yè)或業(yè)務過程的無縫銜接，解決航天新型產(chǎn)品多系統(tǒng)、多學科高效協(xié)同研制實現(xiàn)難的問題。

3、構筑基于標準化、量化的產(chǎn)品精益研制標準規(guī)范族

借鑒國外數(shù)字化研制相關技術準則和規(guī)范，實現(xiàn)與生產(chǎn)實際結合，建立全生命周期全三維協(xié)同設計與技術狀態(tài)管理控制規(guī)范體系，制定《三維協(xié)同設計規(guī)范》《強度分析規(guī)范》《虛擬仿真規(guī)范》三個標準規(guī)范族，為產(chǎn)品構型和技術管理奠定基礎，解決航天新型產(chǎn)品數(shù)字化協(xié)同研制過程知識工程和標準化管理應用難的問題。

4、固化并行模式下全壽命周期全過程數(shù)字化設計精益流程

固化全過程并行工程的團隊工作流程，打破產(chǎn)品研制鏈條上下游單位的壁壘，貫穿產(chǎn)品設計、工藝設計、工裝設計、物料采購和試驗準備全過程協(xié)同的研制模式，打通產(chǎn)品鏈條中的各個環(huán)節(jié)，擴充產(chǎn)品研制過程中信息資源共享、傳遞的通道，建立以產(chǎn)品為核心的高效反饋和跟蹤機制，大幅度減少航天新型產(chǎn)品傳統(tǒng)模式下串行工程中等待浪費和工作反復造成的巨大浪費，提高資源利用率。

5、提升新型航天產(chǎn)品精益設計與敏捷管理九大能力

推進新型結構產(chǎn)品研發(fā)技術及科研管理的變革和創(chuàng)新，致力先進自主研發(fā)和系列化發(fā)展，大幅度提高產(chǎn)品設計過程中的技術創(chuàng)新能力、管理創(chuàng)新能力、持續(xù)改善能力、技術狀態(tài)管控能力、成本控制能力、并行工程管理能力、設計制造一體化能力、數(shù)字化設計能力、方案快速設計能力。

二、構建新型航天器數(shù)字化協(xié)同設計制造體系

（一）新型航天器協(xié)同設計體系頂層設計

以新型運載航天器研制需求為牽引，融合航天航空技術，通過構建基于KBE 的知識資源設計系統(tǒng)為支撐層，開發(fā)基于MBD 的全三維協(xié)同數(shù)字化研制平臺環(huán)境為內核，設計輕質高效自適應自感知的智能產(chǎn)品結構為目標，構筑新型航天器集成產(chǎn)品研發(fā)平臺層，打通幾何樣機、功能樣機、性能樣機和維護樣機全過程數(shù)字化流程全壽命周期技術狀態(tài)控制流程層，構筑基于基礎資源層、支撐平臺層、流程驅動層，集系統(tǒng)工程、知識工程、質量管理等系統(tǒng)為一體，實現(xiàn)智能產(chǎn)品結構與智能設計系統(tǒng)信息流互聯(lián)互通，最終構建新型智能航天器的設計管理體系，見圖1。

圖1 新型航天器設計體系頂層設計

（二）基于MBD 的全三維協(xié)同數(shù)字化設計方法研究

相對于傳統(tǒng)的金屬材料來說，復合材料本身和工藝的可設計性和多重選擇性是其在結構設計領域越來越受關注的技術優(yōu)勢之一。

項目組充分考慮專業(yè)背景的影響，在零部件的設計過程中邀請有能力、有經(jīng)驗的復合材料上、下游企業(yè)在方案論證階段參與到材料選型、結構設計中去。項目組通過應用基于復合材料專業(yè)化MBD 設計技術，運用以三維產(chǎn)品模型為基礎,集成了復合材料產(chǎn)品三維空間尺寸公差標注、模具、鋪層方法、下料方式等制造要求標注在內的特征信息表達方法,實現(xiàn)對產(chǎn)品特征描述、共享，滿足信息系統(tǒng)的直接傳遞要求,并實現(xiàn)對產(chǎn)品信息的分類管理，見圖2。

為確保全三維MBD 設計數(shù)據(jù)在產(chǎn)品全生命周期環(huán)節(jié)內流暢使用，應充分考慮設計信息傳遞在各環(huán)節(jié)的應用特點，建立精簡但完整的MBD 數(shù)據(jù)集定義技術體系，如圖3 所示，為MBD 數(shù)據(jù)集定義示意。

圖2 復合材料三維設計MBD模型

圖3 MBD數(shù)據(jù)集定義方案

圖4 復合材料設計流程智能化效果圖

圖5 復合材料產(chǎn)品試驗驗證規(guī)劃

（三）固化基于“設計-分析-試驗”設計方法和流程

在復合材料零部件設計流程中，相關設計開發(fā)人員及其團隊對零部件三維模型，如蒙皮壁板分塊方案的合理性，聯(lián)合制造人員進行工藝分析，包括產(chǎn)品的內外部造型滿足成型脫模要求、影響脫模結構的成型方式、產(chǎn)品厚度、剪切帶鋪放方法、裝配特點、加強結構的實現(xiàn)方式、圓角設計等都基于復合材料設計和工藝特點進行多次評價確定，并將設計過程中的技術要素以知識和軟件的形式固化，實現(xiàn)設計流程數(shù)字化、智能化管理，見圖4。

在工藝流程方面，依靠協(xié)同評價的基礎，為了進一步加強設計預防控制，特別是對大尺寸、復雜外形復合材料結構的固化變形精確預報顯得尤為關鍵，直接關系到復合材料飛行器方案的可行性。為此，項目組設計和工藝人員借助專業(yè)的數(shù)字化分析軟件，依據(jù)行業(yè)相關標準規(guī)范，對復合材料產(chǎn)品進行精細仿真和精確計算，對設計方案的可行性進行分析，實現(xiàn)事前評價和預防，指導產(chǎn)品設計方案。

在試驗流程方面，借鑒國內外先進的復合材料結構研制思路和方法，應用改進的復合材料結構的“積木式”驗證方法，構建適應于有限重復應用飛行器的復合材料結構“積木式”驗證方案和數(shù)字化數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)在產(chǎn)品設計過程中的重用，指導設計分析過程，奠定飛行器結構可靠性和安全性技術基礎，見圖5。

（四）智能自感知復合材料結構設計制造一體化設計技術

針對智能結構先進材料設計，提出先進復合材料/光纖結構設計及工藝一體化定義方法，設計人員完成先進復合材料結構鋪層工程定義（工程數(shù)據(jù)集定義），開展復合材料結構與傳感/作動元件的一體化設計與耦合作用機理研究，研究機- 電- 熱等多物理場耦合作用機制，建立智能結構建模方法，實現(xiàn)對新型輕質智能結構的多尺度表征，與多物理場作用下綜合性能預報，使得典型（組合）部件在實現(xiàn)自感知的同時重量減至最低。

（五）全過程協(xié)同虛擬制造仿真技術

構建產(chǎn)品數(shù)字化制造仿真及驗證協(xié)同仿真平臺，對裝配仿真項目進行統(tǒng)一規(guī)劃，實現(xiàn)加工和裝配仿真數(shù)據(jù)、資源及流程的統(tǒng)一管理，支持零件制造-組件裝配-總裝全過程多人協(xié)同仿真分析，實現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)與資源的版本控制、重用和共享，提高方案變更的裝配仿真時效性，實現(xiàn)總體布局和總裝仿真流程的同步更新。

三、基于MBD 全三維數(shù)字化協(xié)同設計制造的實施效果

通過構件平臺進行協(xié)同設計，提升數(shù)字化研制能力，在平臺化驅動下，數(shù)字化實現(xiàn)了四大能力的提升。

1、高效、高質量、精細化協(xié)同設計能力

借助CATIA/LCA，提升基于配置的上下文設計、關聯(lián)設計及多專業(yè)并行協(xié)同設計能力，并重點就面向制造的復合材料設計、面向制造的航空鈑金設計、基于上下文的三維線纜管路設計等幾方面進行技術攻關和能力建設。

2012 年3 月，采用本設計平臺技術，聯(lián)合9 家單位組成IPT 團隊開展協(xié)同設計。歷時115 天形成設計規(guī)范三套共86 個，其中設計要求9625 條，分析要求1508 條，工藝要求563 條。形成材料、緊固件模型庫10 個，設計模型35602 個，分析模型9632 個，工藝模型2056 個。發(fā)布長周期材料采購單52 張，質量檢查表格15232 張，在線簽署48625次。

2018 年12 月，采用本設計平臺技術，僅用117 天完成某領域飛行器飛行試驗樣機設計與詳細設計。全飛行器包含2026 個零件，23960 個緊固件,首架飛行試驗樣機已經(jīng)完成了裝配,驗證的協(xié)同設計制造模式的有效性,顯著提升了研制效率,縮短了研制周期。

2、數(shù)字樣機仿真能力

在數(shù)字樣機基礎上， 結合DELMIA 系統(tǒng)提升數(shù)字樣機仿真能力，并就運動機構模擬、數(shù)字樣機漫游、空間分析、運動包絡分析、裝配路徑規(guī)劃及人機工程分析等方面進行能力建設，實現(xiàn)基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的數(shù)字樣機裝配仿真及優(yōu)化。

3、虛擬產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理能力

以LCA 為基礎提升虛擬產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理能力，重點從頂層產(chǎn)品結構規(guī)劃、三級審簽及產(chǎn)品成熟度等方面開展工作，保證研制過程受控，產(chǎn)品數(shù)據(jù)統(tǒng)一。

4、數(shù)據(jù)發(fā)放及管理能力

通過數(shù)據(jù)發(fā)放審簽及會簽流程實現(xiàn)航天單位間的數(shù)據(jù)發(fā)放，通過產(chǎn)品數(shù)據(jù)版本控制機制保證數(shù)據(jù)的有效性及唯一性，提升新型航天器其他型號數(shù)據(jù)發(fā)放及管理水平。

四、基于MBD 全三維數(shù)字化協(xié)同設計制造模式的未來與發(fā)展

基于MBD 的新型航天飛行器復合材料結構設計模式的實踐探索, 為我國航天航空融合的飛行器的產(chǎn)品研制提供有力支撐, 后續(xù)將結合MBSE（Model Based System Engineering）和數(shù)字孿生技術的應用，構建一套涵蓋新型航天飛行器全壽命周期的數(shù)字化設計、制造、試驗、運控和維修保障的體系，全面支撐新型航天飛行器的研制和裝備應用，為我國航天領域數(shù)字化應用和發(fā)展提供有力支撐。