民機(jī)復(fù)合材料成本探討

蔚鳳生 何瑞 廉偉

復(fù)合材料具有比模量和比強(qiáng)度高，耐腐蝕、抗疲勞、可設(shè)計(jì)、工藝性好（復(fù)雜型面適應(yīng)性強(qiáng)、可整體成型）等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在工業(yè)界獲得了越來(lái)越多的青睞。在航空領(lǐng)域，由于能夠滿足日益嚴(yán)苛的重量、力學(xué)性能和航線運(yùn)營(yíng)維護(hù)的要求，復(fù)合材料的用量更是已經(jīng)成為飛機(jī)先進(jìn)性的一個(gè)重要標(biāo)志。

隨著人們對(duì)大型客機(jī)安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性、環(huán)保性要求的提高，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)提出了諸如減重等更多的迫切需求，這些需求促使復(fù)合材料獲得了更為廣泛的應(yīng)用。歐美國(guó)家從上個(gè)世紀(jì)80年代便啟動(dòng)了很多科技計(jì)劃來(lái)推動(dòng)復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用。例如，波音777復(fù)材用量占比達(dá)到10%，787達(dá)到50%;空客A380復(fù)材用量占比達(dá)到25%，A350XWB達(dá)到52%。通過(guò)復(fù)合材料的應(yīng)用，飛機(jī)的舒適性和經(jīng)濟(jì)性都得到了顯著改善。中國(guó)商飛作為世界航空界后起之秀，充分借鑒自研機(jī)型的經(jīng)驗(yàn)積累，逐級(jí)加大復(fù)合材料用量，C919復(fù)材用量占比能達(dá)10%，CR929能達(dá)51%。

復(fù)材應(yīng)用的成本挑戰(zhàn)

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的逐步加劇，民機(jī)在保證安全的前提下，對(duì)經(jīng)濟(jì)性的要求越來(lái)越高，飛機(jī)設(shè)計(jì)師和制造商們開(kāi)始重視怎樣以更低的成本來(lái)獲得滿足性能的飛機(jī)，從而提高飛機(jī)競(jìng)爭(zhēng)力。因此，如何降低民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的成本問(wèn)題，一開(kāi)始就是各大主制造商的重要考量因素。

從目前的情況來(lái)看，復(fù)合材料雖具有傳統(tǒng)鋁合金材料無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，但也存在諸如技術(shù)成熟度低和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)欠缺等問(wèn)題帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

例如，由于復(fù)材結(jié)構(gòu)研制需要采用積木式驗(yàn)證，導(dǎo)致研制成本偏高;民機(jī)應(yīng)用相對(duì)成熟的熱壓罐成型制造工藝，其制造過(guò)程主要包括下料、鋪貼、打袋、固化、檢測(cè)、機(jī)加，噴漆等，由于材料、工裝（鋪貼、成型、檢驗(yàn)）、自動(dòng)化設(shè)備（自動(dòng)）和熱壓罐應(yīng)用的投入成本很高，導(dǎo)致復(fù)材產(chǎn)品制造成本較高，還有制孔、刀具和裝配成本也都顯著高于金屬。

此外，復(fù)材大范圍應(yīng)用給運(yùn)營(yíng)保障帶來(lái)一定的壓力，修理材料、修理工藝、修理實(shí)施、檢測(cè)等也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。盡管復(fù)材結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)中維修成本是降低的（因其疲勞損傷少，耐腐蝕，維修檢查間隔長(zhǎng)），但對(duì)于特定損傷，如采用濕鋪貼修補(bǔ)的成本會(huì)高于金屬。

復(fù)材的成本結(jié)構(gòu)

飛機(jī)產(chǎn)品的盈利模式、成本走向在設(shè)計(jì)初期就需要確定。飛機(jī)采用復(fù)合材料，要從其全壽命周期成本的維度加以考慮。復(fù)合材料的全壽命周期成本可以劃分為研制成本、單機(jī)成本、運(yùn)營(yíng)成本和處置成本，從成本的重復(fù)性又可分為非重復(fù)成本（NRC）和重復(fù)成本（RC）。

研制成本為復(fù)材研制階段發(fā)生的費(fèi)用，其構(gòu)成包括材料、專用、外協(xié)、勞務(wù)費(fèi)用等，為NRC。

單機(jī)成本包含NRC和RC，NRC包括固定資產(chǎn)、專用裝置、工裝模具和非重復(fù)勞動(dòng)等成本，可按照一定的批產(chǎn)架次分?jǐn)?，RC包含材料、人工和設(shè)備折舊成本等。

運(yùn)營(yíng)成本分為直接運(yùn)營(yíng)成本（DOC）和間接運(yùn)營(yíng)成本（IOC），與飛機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)參數(shù)等密切相關(guān)，直接運(yùn)營(yíng)成本構(gòu)成有所有權(quán)成本、燃油成本、空勤成本、起降費(fèi)、地面操作成本、導(dǎo)航費(fèi)和維修成本（MC）等。其中維修成本包含直接維修成本（DMC）和間接維修成本（IMC）。直接維修成本包含例行維修成本、工時(shí)成本和航線檢查成本，與復(fù)材結(jié)構(gòu)修理設(shè)計(jì)密切關(guān)聯(lián)。間接維修成本為運(yùn)營(yíng)中所產(chǎn)生的各種記錄、管理費(fèi)用等。

處置成本是指飛機(jī)進(jìn)入處置階段發(fā)生的成本，因飛機(jī)可能轉(zhuǎn)售或租賃給其他用戶運(yùn)營(yíng)，或改裝成貨機(jī)，或被封存/解體，處置成本和其取得的收益會(huì)對(duì)飛機(jī)全壽命成本產(chǎn)生影響。

飛機(jī)研制經(jīng)驗(yàn)表明，在詳細(xì)設(shè)計(jì)結(jié)束時(shí)，飛機(jī)全壽命周期的主要成本就已經(jīng)確定。復(fù)材結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)和新技術(shù)的選擇對(duì)復(fù)材的研制成本、單機(jī)成本、運(yùn)營(yíng)成本和處置成本均有重大影響，且二者相互影響和制約，因此，研制階段要系統(tǒng)性統(tǒng)籌復(fù)材結(jié)構(gòu)各成本要素之間的平衡關(guān)系，從成本、經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)權(quán)衡確定不同的方案，進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化和決策。

復(fù)材成本的分析方法

復(fù)材成本的分析方法主要有參數(shù)估算法、工程估算法、類比法和基于制造工藝過(guò)程測(cè)算法。

參數(shù)估算法基于型號(hào)已有復(fù)材研制成本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以復(fù)材結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)如重量等進(jìn)行成本估算。該方法不考慮工藝方法，雖然準(zhǔn)確性存在一定的不足，但能直觀快速預(yù)估成本和評(píng)估產(chǎn)品的成本密度，在復(fù)材的成本估算中應(yīng)用較廣。如果復(fù)材產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成本密度明顯偏離統(tǒng)計(jì)回歸數(shù)據(jù)，則需要特別關(guān)注設(shè)計(jì)的合理性。

工程估算法以WBS為基礎(chǔ)，逐步計(jì)算出單元成本，并逐級(jí)向上歸集，最終形成復(fù)材產(chǎn)品的成本費(fèi)用。該方法一般應(yīng)用于飛機(jī)研制發(fā)展到一定階段后，其特點(diǎn)是估算準(zhǔn)確性高，易于對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行分工操作。實(shí)際執(zhí)行中，需要大量經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)來(lái)確定各單元的成本，因此花費(fèi)的人力成本和時(shí)間成本大。

類比法是建立在已有類似復(fù)材產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上的分析方法，基于已有復(fù)材產(chǎn)品的成本數(shù)據(jù)，考慮設(shè)計(jì)、材料、工藝、技術(shù)發(fā)展、相對(duì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境等差異，采用一定的權(quán)重因子，對(duì)新研制的復(fù)材產(chǎn)品成本進(jìn)行測(cè)算。該方法是一種相對(duì)粗略的測(cè)算方法，主要用于成本測(cè)算的早期。

基于制造工藝過(guò)程測(cè)算法，以工序?yàn)榛A(chǔ)，測(cè)算制造成本，包含RC和NRC。RC以制造工序?yàn)榛A(chǔ)，測(cè)算每道工序?qū)?yīng)的材料費(fèi)和工時(shí)費(fèi)（人工工時(shí)和設(shè)備工時(shí)）。基于產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)模，考慮學(xué)習(xí)效應(yīng)和相對(duì)已有的比較成熟和穩(wěn)定的生產(chǎn)過(guò)程場(chǎng)景，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的工時(shí)數(shù)據(jù)完成測(cè)算。NRC為研制與制造過(guò)程中發(fā)生的一次性費(fèi)用，按一定架次分?jǐn)偂Ｔ摲椒ǔ浞挚紤]了產(chǎn)品的研制與制造工序和成本要素，能夠準(zhǔn)確分析產(chǎn)品制造成本，主要適用于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。基于該方法開(kāi)發(fā)出來(lái)的工具，已應(yīng)用于國(guó)外主流制造商產(chǎn)品的成本測(cè)算。

復(fù)材成本的管控

在飛機(jī)研制流程中，需要按照門(mén)禁管理要求開(kāi)展復(fù)材成本的全流程控制。在研制流程各個(gè)階段，制定復(fù)材部段如機(jī)身、機(jī)翼、尾翼等的目標(biāo)成本，并嚴(yán)格按照目標(biāo)成本開(kāi)展成本控制。在概念開(kāi)發(fā)階段，根據(jù)項(xiàng)目需求和技術(shù)成熟度，梳理復(fù)材技術(shù)可選的初步方案;在立項(xiàng)論證階段，確定復(fù)材應(yīng)用方案和關(guān)鍵技術(shù)清單及研制規(guī)劃，兼顧技術(shù)成熟度和飛機(jī)的先進(jìn)性，保證全壽命周期成本總體可控;在可行性論證階段，權(quán)衡復(fù)材應(yīng)用結(jié)構(gòu)方案和工藝方案，其中成本是一個(gè)重要考慮因素;在初步設(shè)計(jì)階段，完成復(fù)材關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，產(chǎn)品和成本團(tuán)隊(duì)合理選材，分析材料利用率、制造裝配工序、工裝、檢測(cè)、維修等相關(guān)的成本要素，進(jìn)行成本分析評(píng)估測(cè)算，開(kāi)展成本控制，通過(guò)成本結(jié)果驅(qū)動(dòng)復(fù)材結(jié)構(gòu)方案和工藝方案的迭代優(yōu)化;在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，完成復(fù)材結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，基本上確定了產(chǎn)品成本的走向，即全壽命周期的主要成本已經(jīng)確定，在后續(xù)的全面試制、試飛取證、產(chǎn)品運(yùn)營(yíng)與服務(wù)驗(yàn)收、持續(xù)運(yùn)營(yíng)等階段，設(shè)計(jì)決定成本的效果會(huì)逐步表現(xiàn)出來(lái)，如要更改則需花費(fèi)更大的代價(jià)。

復(fù)材產(chǎn)品成本的形成將貫穿于設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、制造、運(yùn)營(yíng)及處置各環(huán)節(jié)：設(shè)計(jì)是產(chǎn)品成本的決定因素，驗(yàn)證是研制成本的主要組成，制造是成本體現(xiàn)的主要環(huán)節(jié)，運(yùn)營(yíng)及維護(hù)是成本構(gòu)成的重要部分。因此，為使成本得到有效控制，確保成本的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，必須對(duì)成本形成的重點(diǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行控制。

復(fù)材成本重點(diǎn)環(huán)節(jié)需要關(guān)聯(lián)協(xié)同并行。其中設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、制造、運(yùn)營(yíng)各環(huán)節(jié)既內(nèi)部迭代，同時(shí)各環(huán)節(jié)又交叉并行，關(guān)聯(lián)協(xié)同，互相融合促進(jìn)，成本貫穿其中。

在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，要綜合評(píng)估研制費(fèi)用、單機(jī)制造費(fèi)用、選材策略、重量指標(biāo)、燃油經(jīng)濟(jì)性、維修性等成本的直接或間接要素，進(jìn)行成本的正向設(shè)計(jì)和方案權(quán)衡。

要利用復(fù)材低成本設(shè)計(jì)指南、成本測(cè)算工具方法、成本價(jià)格數(shù)據(jù)庫(kù)等，測(cè)算和分析成本數(shù)據(jù)并優(yōu)化成本。建立成本設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過(guò)工具、方法和平臺(tái)等開(kāi)展成本的測(cè)算，進(jìn)行過(guò)程管控，逐步逼近復(fù)材成本目標(biāo)。要與競(jìng)爭(zhēng)機(jī)型復(fù)材產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)標(biāo)，基于自有技術(shù)成熟度，考慮型號(hào)共通性，評(píng)估不同方案成本差異，在設(shè)計(jì)階段就要做好DFX（設(shè)計(jì)面向各個(gè)專業(yè)），做好“三好一降一能”，即好設(shè)計(jì)、好制造、好運(yùn)營(yíng)，降成本，能競(jìng)爭(zhēng)，做好方案權(quán)衡。

要統(tǒng)籌考慮型號(hào)、課題的設(shè)計(jì)研發(fā)及驗(yàn)證，立足已有能力，增量規(guī)劃，設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，仿真分析，選擇合理設(shè)計(jì)特征。

在設(shè)計(jì)和制造一體化方面，要綜合考慮零件的批產(chǎn)效率，如手工鋪貼或自動(dòng)化、材料利用率、潛在的供應(yīng)商能力、專業(yè)化發(fā)展、工裝方案（組合工裝、普通鋼、殷瓦鋼）等，通過(guò)一體化迭代三工協(xié)同過(guò)程，同時(shí)合理確定復(fù)材件設(shè)計(jì)方案、制造方案和工裝方案。

在制造環(huán)節(jié)，要基于制造問(wèn)題導(dǎo)向，提高材料的利用率、設(shè)備利用率、生產(chǎn)制造效率、產(chǎn)品合格率等影響成本的參數(shù)，降低材料費(fèi)和工時(shí)費(fèi);要開(kāi)展基于制造效率的產(chǎn)品迭代設(shè)計(jì)，確保穩(wěn)定、成熟、高效的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過(guò)程，滿足設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、參數(shù)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求;要通過(guò)精益改進(jìn)活動(dòng)，優(yōu)化制造環(huán)節(jié)，降低成本;項(xiàng)目計(jì)劃聯(lián)動(dòng)，合理地配置資源和設(shè)置工作流，提高設(shè)備利用率，降低制造費(fèi)用。

在運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié)，根據(jù)結(jié)構(gòu)件的重要性分類和維修性特點(diǎn)，通過(guò)不同區(qū)域重點(diǎn)結(jié)構(gòu)檢查門(mén)檻值和檢查間隔，針對(duì)不同的復(fù)材結(jié)構(gòu)修理設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行維修性成本評(píng)估，選擇合適的方案，降低維修成本等。

復(fù)材成本工作的發(fā)展方向

在民機(jī)研制中，復(fù)材結(jié)構(gòu)的應(yīng)用是大勢(shì)所趨，復(fù)材成本工作會(huì)愈發(fā)重要。在未來(lái)復(fù)材成本工作中，以下幾方面非常重要。

首先，要認(rèn)識(shí)到成本作為驅(qū)動(dòng)因素在民機(jī)復(fù)材研制活動(dòng)中會(huì)不斷強(qiáng)化，設(shè)計(jì)方案要綜合考量研發(fā)成本、重量影響、制造成本、裝備設(shè)備投入、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等，迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，這些將是民機(jī)復(fù)材結(jié)構(gòu)產(chǎn)品研制中的重要權(quán)衡。

其次，隨著復(fù)材應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，對(duì)成本研究也不斷深化，需要不斷健全成本數(shù)據(jù)庫(kù)，形成研發(fā)、制造和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本的快速測(cè)算方法，并且根據(jù)成本測(cè)算的結(jié)果進(jìn)行問(wèn)題分析，驅(qū)動(dòng)復(fù)材研制的各個(gè)環(huán)節(jié)變更并迭代優(yōu)化。

再次，批產(chǎn)過(guò)程中成本控制是重要的考慮因素，因此，在制造過(guò)程中，需要通過(guò)精益改進(jìn)、專業(yè)化供應(yīng)商、專業(yè)化設(shè)備和基于批產(chǎn)需求的設(shè)計(jì)制造迭代優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)降本控制。

最后，采用能降低復(fù)材制造成本的工藝，如OOA（非熱壓罐成型）、液體成型等，發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，主制造商根據(jù)課題或產(chǎn)品研制周期和經(jīng)費(fèi)的控制，不斷推進(jìn)復(fù)材低成本技術(shù)的應(yīng)用。

總之，復(fù)材成本工作是產(chǎn)品研制的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，要堅(jiān)持復(fù)材正向設(shè)計(jì)理念，DBMOCT協(xié)同，專業(yè)化發(fā)展，推進(jìn)低成本制造工藝應(yīng)用，提升復(fù)材產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。