基于模型定義技術(shù)的發(fā)動機物理接口信息管控及設(shè)計質(zhì)量提升

■ 杜玉潔 陶金 陳亮/中國航發(fā)商發(fā)

三維控制模型在航空發(fā)動機設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用，作為管控和傳遞航空發(fā)動機物理接口信息的創(chuàng)新舉措，消除了傳統(tǒng)研發(fā)模式中二維圖樣和三維模型之間的信息沖突和差異。

在傳統(tǒng)的航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計接口尺寸要求均通過二維圖樣來表達，與最終用于生產(chǎn)制造的三維模型無直接關(guān)聯(lián)，存在信息傳遞錯誤、遺漏的風險。隨著全三維數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用推廣，航空發(fā)動機在研發(fā)和制造過程中，通過基于模型定義（MBD）技術(shù),逐步以三維數(shù)模設(shè)計替代傳統(tǒng)的二維圖樣設(shè)計，三維實體模型成為產(chǎn)品研制過程中的唯一數(shù)據(jù)源，應(yīng)用于設(shè)計、制造、裝配、使用、維護等各個環(huán)節(jié)，從而在產(chǎn)品設(shè)計階段提前發(fā)現(xiàn)和解決問題，不但提高了產(chǎn)品的可制造性、可裝配性和維修性，還提高了產(chǎn)品質(zhì)量，縮短了研制周期[1-2]。發(fā)動機物理接口表達了部件/系統(tǒng)界面間主要結(jié)構(gòu)形式、尺寸等機械特性信息，可以通過采用MBD三維設(shè)計技術(shù)，在實際應(yīng)用過程中不斷總結(jié)經(jīng)驗并提升物理接口設(shè)計水平。

基于模型定義技術(shù)的結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計

基于模型定義技術(shù)的發(fā)動機結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計的方法、流程與工具，重點包括自頂向下結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計、基于模型定義的關(guān)聯(lián)管控物理接口控制、基于模型定義的典型參數(shù)化接口設(shè)計和發(fā)動機模型成熟度設(shè)計等技術(shù)。

自頂向下結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計

自頂向下結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計是通過產(chǎn)品研制階段（概念設(shè)計階段、初步設(shè)計階段、詳細設(shè)計階段）構(gòu)建的結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計流程（見圖1）。設(shè)計的起點為總體性能流道，在整機性能流道的基礎(chǔ)上完成總體級物理接口定義的交付物（總體結(jié)構(gòu)草圖、方案圖、總體級部件/系統(tǒng)控制模型），輸出至部件/系統(tǒng)完成部件/系統(tǒng)級物理接口定義的交付物（部件/系統(tǒng)級方案圖、控制模型、部件系統(tǒng)的組件級控制模型），以及詳細設(shè)計階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計交付物（發(fā)動機部件、整機工程設(shè)計模型），至此完成全流程設(shè)計工作。在設(shè)計過程中，通過制造、裝配過程對設(shè)計模型及相關(guān)說明文件進行工藝評估和反饋，最終完成整機及部件的控制模型、模型的設(shè)計迭代工作。

圖1 結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計流程

圖 2 設(shè)計信息數(shù)據(jù)源傳遞流程

關(guān)聯(lián)管控物理接口控制

基于模型定義的關(guān)聯(lián)管控物理接口控制是建立完整和詳細的總體級至部件/系統(tǒng)級的分層級、分類別的接口控制模型，使各部件及系統(tǒng)的工程三維模型設(shè)計及更改，全部關(guān)聯(lián)管控在總體級及部件/系統(tǒng)級三維控制模型的接口要求下。需要注意的是，物理接口信息從總體結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)傳遞至部件/系統(tǒng)，須自上而下傳遞，避免循環(huán)、重復或自下而上傳遞。零件、組件中的控制元素，應(yīng)該來源于最底層的控制模型，目的是保持清晰的追溯和輸入關(guān)系，即接口控制傳遞流程應(yīng)為從總體級控制模型傳遞至部件/系統(tǒng)級控制模型，再從部件/系統(tǒng)級控制模型傳遞至部件模型、整機模型。設(shè)計信息數(shù)據(jù)源傳遞流程如圖2所示。

典型參數(shù)化接口設(shè)計

基于模型定義的典型參數(shù)化接口設(shè)計是通過知識積累和規(guī)范設(shè)計準則，針對安裝邊接口、安裝座接口、管路接頭接口、測試引線開孔等類別，形成典型類別的部件界面間參數(shù)化接口設(shè)計方法及工具，針對UG軟件進行二次開發(fā)，在UG三維模型設(shè)計軟件中實現(xiàn)直接輸入?yún)?shù)，形成控制模型特征線條及標注等信息。建立典型接口信息工具庫，可減少重復建模的時間，便于快速開展設(shè)計迭代與設(shè)計評估，并規(guī)范同類接口的表達形式。

發(fā)動機模型成熟度設(shè)計

依據(jù)中國航發(fā)運營管理體系（AEOS）產(chǎn)品研發(fā)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)程序文件的要求，可以建立商用航空發(fā)動機模型成熟度定義標準，對各研制階段控制模型及模型涵蓋的內(nèi)容、成熟度等級進行定義，明確協(xié)同設(shè)計過程中模型的完整程度和具體進度，便于跨專業(yè)和跨企業(yè)的協(xié)同設(shè)計工作開展。

物理接口設(shè)計質(zhì)量提升管控

根據(jù)物理接口設(shè)計的實際應(yīng)用及工作反饋，設(shè)計質(zhì)量提升管控工作著重于模型架構(gòu)設(shè)計改進、模型成熟度定義的優(yōu)化等內(nèi)容的深化和精煉。

架構(gòu)設(shè)計應(yīng)用及改進

在產(chǎn)品研發(fā)階段存在以下實際情況：設(shè)計改進迭代、每次上臺不同的測試改裝需求等因素，會導致發(fā)動機的部分接口和部分零組件模型構(gòu)型發(fā)生變化；在控制模型應(yīng)用初期未能識別歸類需求，使得單個總體級部件控制模型中存在100多個接口視圖，導致不能快速定位視圖、表達信息；各總體級部件控制模型內(nèi)部，按結(jié)構(gòu)分工有發(fā)動機部件間接口、發(fā)動機與外部接口、測試改裝接口3大類。

為了更好地管控接口和設(shè)計構(gòu)型，在前期使用視圖編號方式進行接口管理。但由于單臺份發(fā)動機每次上臺會根據(jù)不同的專項試驗科目和測試項目、結(jié)構(gòu)設(shè)計迭代改進等需求，進行總體級和部件/系統(tǒng)級的接口設(shè)計變更迭代、模型設(shè)計更改以及后續(xù)的實物補加工等工作任務(wù)，采用編號區(qū)分的簡單管理方式不足以清晰、系統(tǒng)地表達和傳遞信息。由此，進一步改進優(yōu)化控制模型和模型的架構(gòu)設(shè)計流程（見圖3）。經(jīng)驗證，可以較好地控制設(shè)計狀態(tài)和實物狀態(tài)以及表達設(shè)計迭代優(yōu)化過程，達到技術(shù)狀態(tài)清晰、明確的效果。

圖3 模型架構(gòu)設(shè)計優(yōu)化流程

模型成熟度定義及設(shè)計流程優(yōu)化

在實際項目研制及流程應(yīng)用中出現(xiàn)了產(chǎn)品研制過程的控制體現(xiàn)不明顯、成熟度標識對象不明顯、迭代層次混亂等問題。對此，針對模型成熟度定義及設(shè)計流程，進行了優(yōu)化工作：針對產(chǎn)品研制過程中的控制問題，在流程中對各個設(shè)計階段的總體控制模型、部件控制模型、部件模型、整機模型的工作流程順序進行定義；針對成熟度標識對象不明顯的問題，在流程中結(jié)合AEOS結(jié)構(gòu)開發(fā)程序中協(xié)同設(shè)計工作、產(chǎn)品技術(shù)評審節(jié)點，明確流程中各設(shè)計節(jié)點交付物的技術(shù)成熟度；針對設(shè)計迭代反復的問題，在流程中區(qū)分和明確主線流程和迭代流程。

設(shè)計質(zhì)量提升措施

針對航空發(fā)動機研制過程中結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計研究工作，以及MBD全三維物理接口定義與管控方法的實際應(yīng)用，后續(xù)將基于需求分析和定義階段的設(shè)計工作內(nèi)容，針對物理接口開展以下兩方面工作：一是建立接口控制說明文檔，用于記錄功能、材料、工藝、強度等評估結(jié)果，并納入接口符合性檢查等內(nèi)容；二是搭建物理接口數(shù)據(jù)庫，持續(xù)豐富典型接口結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)庫，提高設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量。

結(jié)束語

結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計技術(shù)、物理接口關(guān)聯(lián)控制技術(shù)、基于參數(shù)化接口設(shè)計及具有成熟度標識的設(shè)計流程已被應(yīng)用于商用航空發(fā)動機的型號研制工作，不但實現(xiàn)了物理接口與模型關(guān)聯(lián)管控、結(jié)構(gòu)空間接口約束、跨專業(yè)在線協(xié)同、數(shù)據(jù)源唯一傳遞、結(jié)構(gòu)接口參數(shù)化設(shè)計、模型成熟度定義等應(yīng)用技術(shù)，而且從物理接口到試制裝配、從試制裝配到接口改進的全流程結(jié)構(gòu)定義管控與質(zhì)量獲得了提升，建立的協(xié)同設(shè)計流程、控制模型構(gòu)架及控制元素要求為總體結(jié)構(gòu)設(shè)計的各階段提供了方法與支撐工具，提高了協(xié)同設(shè)計效率、減少了數(shù)據(jù)傳遞差錯。