面向全生命周期的復合材料產品高效協同開發模式

◎中國運載火箭技術研究院研究發展中心 彭小波 王悅 王福忠 徐國麗 鄧云飛

面向全生命周期的復合材料產品高效協同開發模式

◎中國運載火箭技術研究院研究發展中心 彭小波 王悅 王福忠 徐國麗 鄧云飛

針對面向全生命周期復合材料產品設計、工藝協同研制模式在某產品的實施進行了探討。通過探索基于模型的企業模式、建立數字化工具平臺、編制協同設計標準規范等，實現了全生命周期研制過程項目管理的數字化、作業過程的標準化、研制流程的精細化，有效提高了產品研制效率，確保了產品技術狀態。

隨著計算機和網絡技術的迅猛發展，當今產品制造正由傳統的串行工程向著多學科、多專業、跨系統、跨地域并行協同研制模式轉變。在協同研制模式下，要求設計人員在產品的全生命周期內充分考慮多個系統和專業之間的協同耦合關系，并運用先進的信息手段和管理方法最大限度地減少設計反復，縮短生產準備和制造時間。

復合材料產品的設計和制造是當今飛行器研制的關鍵技術之一，對減輕飛行器結構質量、提高飛行器性能起到非常重要的作用。國際上技術領先的飛行器，如波音787和空客A350客機的復合材料使用率均超過了50%，并且在產品研制過程中大量采用數字化設計技術和精益管理模式，取得了令人矚目的成就。在航天器設計領域，復合材料的應用范圍逐步擴大，多種航天器的重要結構件大量采用復合材料。

2014年初，中國航天科技集團公司責令中國運載火箭技術研究院研究發展中心在一年之內牽頭完成某復合材料產品的研制任務。復合材料產品結構設計與材料設計同步、結構成型與材料制造同時完成，從而決定了構件設計—材料—工藝三者密不可分，在研制過程中必須實施設計、分析、制造和管理的集成。

傳統的產品研制模式多局限于金屬結構、單個生命階段，且存在數字化技術和標準化作業管理應用程度不高、數據源不統一、技術狀態難管控、周期長等問題，不能實現復合材料產品對設計制造高度集成研制的目標，難以滿足預研產品項目快、好、省的研制要求。因此，迫切需要改革原有的科研生產組織模式，通過應用復合材料基于模型定義（MBD）設計技術和集成產品開發模式來保證產品的交付時間及質量。

在研制過程中，項目團隊創新實踐管理模式，以新型航天產品研制需求為牽引、實現全生命周期復合材料產品精益研制為目標，融合航天航空技術，探索實施復合材料產品研制管理模式，編制產品設計、生產、試驗、維護、管理等全生命周期標準規范，固化基于模型的企業（MBE）面向全生命周期三維數字化設計制造一體化流程并應用到產品的具體研制中，顯著縮短了產品設計和制造周期。

一、協同開發模式的建設與實踐

航天產品設計模式經過數十年的發展，逐步從二維設計轉入三維設計，從金屬結構串行研制逐步轉入復合材料結構集成研制的時代，保障了多個航天型號產品的成功，取得了巨大的進步。但由于當前多個設計單位的復合材料產品數字化設計技術仍局限在設計階段，產品制造過程中仍采用二維工藝卡片、模線、樣板等模擬量進行傳遞，導致設計制造過程中存在數據源重復、對工人經驗依賴性強的問題，不能實現復合材料產品對設計制造高度集成的目標，一定程度上制約了研制效率的提高。

國際先進的企業目前采用構造基于知識的工程（KBE）資源庫，建設基于產品數據管理（PDM）的協同設計環境，以實施MBE的設計制造一體化模式作為解決方案，從而降低研制成本，提高產品質量。為此，項目組通過借鑒國際先進技術，針對航天復合材料產品特點采取了一系列措施，實踐了高效研制產品開發模式。

1．開發KBE協同設計基礎資源庫

在基礎資源庫建設方面，項目組通過建設KBE協同設計基礎資源庫并定制到協同設計平臺，為實現知識工程模式下快速設計奠定了基礎。通過某項目結構機構協同研制實踐，建立了知識管理系統，包括各種設計模板，如MBD三維建模模板等；各種設計資源庫，如復合材料信息庫、積木式試驗許用值數據庫、成品件庫、電接插件庫等；以及設計支撐知識，如《集成產品開發模式管理》、《先進制造技術解讀》等。

2．建立結構機構數字化協同設計平臺

在協同設計支撐平臺方面，項目組按照全生命周期產品設計中的基礎支撐環境、幾何樣機軟件子系統、功能樣機軟件子系統、試驗樣機軟件子系統、維護樣機軟件子系統進行系統集成管理，解決了傳統模式下不同軟件之間集成性差、關聯性弱、管理難等問題，實現了數字化資源有效利用的最大化和一種精益管理模式。

3．編制全過程協同設計標準規范

在設計過程標準化作業方面，項目組初步建立了三維協同設計規范體系，涵蓋設計準則、制造規范、積木式試驗驗證、項目管理、協同機制和設計資源管理等內容，制定了《復合材料鋪層規范》、《復合材料分析準則》、《復合材料制造要求》、《復合材料積木式試驗驗證規范》等4個標準規范族，為產品構型和技術管理奠定了基礎，促進了全生命周期內量化設計管理與監控，提升了數字化設計知識的可積累性和傳承性。

4．探索面向全生命周期的MBE開發模式

在項目管理方面，針對復合材料產品研發過程復雜、系統龐大、協作面廣、研制周期緊張等特點，項目組基于自身現有信息化能力條件，運用系統工程思維對并行模式下復合材料產品的方案論證階段、樣機研制階段、集成演示階段全過程研制流程進行統一規劃，不同產品之間的研制資源可根據不同成熟度階段人力需求進行合理調配。采用MBE管理方法，圍繞產品三維模型采用集成產品開發模式，針對不同產品生命周期，聯合多個職能部門和專業按照系統合理的頂層設計規范及協同研制管理流程，使用數十個數字化專業軟件開展高效協同設計，實現研制過程中數據源的統一。管理模型和方針路線見圖1和圖2。

在技術管理方面，通過對三維數字模型定義研制實踐的深度總結提煉，探索實施全生命周期MBE技術方案，實現了基于模型的數字化虛擬檢測和基于模型的虛擬裝配作業指導，將格式多樣、關系復雜的設計、制造、檢測過程定義數據以三維動畫的形式展現到生產現場并與設計模型關聯，易于現場操作人員直觀理解和執行，有效解決了設計模型在生產線仍需制作工藝卡片、對操作人員的經驗和素質依賴性強、難以動態調整、更改難貫徹等問題，實現了產品設計虛擬世界和物理世界的連接。

5．應用MBD復合材料專業的數字化設計方法

在設計方法方面，項目組充分考慮專業背景的影響，在產品的細節設計中依托協同設計平臺，運用集成產品開發手段，使得復合材料產品制造、試驗的配套單位直接參與產品的協同設計。在復合材料產品三維模型數據集中預先定制制造和試驗部門的數據節點，可實現設計、制造和試驗人員將產品全生命周期過程中的技術要求與工藝參數，包含各種幾何與非幾何信息統一集成到MBD數字模型，作為技術狀態控制和信息傳遞的唯一數據源。

圖1 面向全生命周期多項目研制管理模型

圖2 項目實施總體思路

例如，在結構外形設計中模具設計人員參與評價，在零件詳細設計過程中鋪層成型工藝人員參與評價。這樣可以充分發揮參研人員的專業特長，將后期制造過程中的技術盲點盡可能在方案設計中消除，利于產品質量的提高。經過型號的實踐，還形成了對復合材料產品設計、工藝、流程等方面具有完整技術儲備的產品開發設計團隊。

6．固化全過程、全要素數字化設計方法和流程

在設計流程方面，項目組聯合制造人員對零部件三維模型進行可制造性分析，包括產品內外部型面的加工可行性、裝配可行性、產品厚度、剪切帶鋪放方法、裝配特點、加強結構的實現方式、圓角設計等，基于復合材料產品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，實現設計流程數字化、智能化管理。

在工藝流程方面，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。項目組依靠協同評價的基礎，借助專業的數字化分析軟件，依據行業相關標準規范，對復合材料產品工藝流程進行合理有效的仿真模擬，發現加工成型過程中可能出現的缺陷，用于改進設計方案。

在試驗流程方面，項目組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“積木式”驗證方法構建適用于有限重復應用飛行器的復合材料結構“積木式”驗證方案和數字化數據庫，實現試驗數據在產品設計過程中的復用，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。

7．實現基于同一數據源的三維數模下廠

在產品模型下廠傳遞方面，針對三維協同設計作為一項新技術，三維數模數據下廠技術狀態難管控的問題，項目組依托協同設計平臺在設計和制造部門之間實施基于同一數據源的全三維數據傳遞流程，如圖3所示。

8．實施閉環三維模型設計變更管理

在技術狀態更改方面，項目組借助于數字化協同研制平臺強大的更改控制和工作流管理功能，在基于模型的更改管理模式下，根據相關標準規范對技術狀態的變化進行有序和閉環控制，保證更改信息的正確性、及時性和完整性（見圖4）。

設計更改發生以后，產品的制造部門需要對設計更改結果進行相應落實，如相關工藝規程、材料采購等文件的版本更新，以確保工程更改的閉環控制。

二、實踐效果

面向全生命周期復合材料航天產品高效協同模式的研究和應用取得了顯著的效果，經過1年的生產實踐，證明該模式下可縮短研制周期40%以上。具體對以下幾個方面的能力產生了明顯的提升效果：

在結構設計方案設計能力方面，借助基于面向全生命周期協同設計方法，設計人員用較短時間就可以開展多方案的可行性對比和結構精細化設計，完成結構方案的優化設計，在確保方案可行的基礎上實現了最優化。

在研制進度控制能力方面，從設計、制造串行工作的傳統模式轉變成設計、制造一體化協同工作，將原來制造期間的部分工裝設計、長周期材料采購、工藝方案制定提前到產品方案設計階段，可有效減少設計、制造信息的不一致，從而縮短設計制造周期、提升產品質量、減少產品報廢率。

在產品成本控制能力方面，將產品研制過程中的設計、分析、優化過程應用數字化工具進行作業，將部分需要實物試驗驗證的工藝過程在設計過程中仿真模擬，降低了研制成本。

三、后續工作思路

圖3 設計和制造部門間的數據傳遞

圖4 狀態更改流程

創新研制模式的有效運行實現了產品設計和制造一體化，統一數據源，顯著提升了研制效率。但由于不同航天產品的技術特點不同，不同單位研發保障條件也各有差別，建議后續在以下幾個方面開展進一步研究：

一是協同交互設計仿真技術的應用。在航天產品研制過程中，設計與工藝的技術研討多是在集成的環境中進行“面對面”交流探討，而沒有建設相應的異地數字化協同交互仿真平臺，在工藝、設計協同中的效率還有較大提升空間。

二是須及早解決知識產權管理問題。目前協同模式雖能有效解決行政管理問題，但無法有效解決知識產權保護問題，對于多部門、多廠所的設計微團隊，缺乏有效管理各自的控制技術方法、模型數據以及核心工具的分發、流轉和共享等。

面向全生命周期復合材料產品協同設計研制模式的實施，顯著縮短了研制周期，該研究成果可直接應用于航天系統其它型號的研制，促進航天型號協同設計管理技術領域的不斷發展。?