工業4.0形勢下的結構要素標準研究

任秀君

（沈陽飛機工業（集團）有限公司，遼寧 沈陽 110850）

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工業4.0形勢下的結構要素標準研究

任秀君

（沈陽飛機工業（集團）有限公司，遼寧 沈陽 110850）

[摘要]主要介紹了結構要素定義及應用場景，結構要素的分類、參數和數據構成，闡述了根據國外結構要素參數優化方法的應用和國內相關標準及產品應用情況，在工業4.0新形勢下航空產品結構要素的標準研究與制定應結合互聯網的大數據優勢，制定依托大數據支撐的結構要素標準群。為智能設計和制造提供基礎性數據，推動航空制造業轉型升級。

[關鍵詞]結構要素；航空產品；標準；研究

[收修訂稿日期] 2016-03-11

結構要素在航空產品上大量使用，其數據給定是否科學對產品結構的合理性、結構強度、壽命、工藝實現性有一定的影響。一方面是產品結構設計的重要組成部分，其數據選取的科學性將影響到產品的疲勞強度及壽命要求。另一方面，是制造可行性的組成部分，是面向智能制造的底層數據，其數據可作為制造元特征與工藝策略等進行數控加工，影響到部分加工參數的選取。

1 概述

1.1 結構要素定義及應用場景

組成零件的各機械加工表面稱為結構要素。結構要素為構成其產品結構最基本單元的元素，產品結構設計和制造過程中離不開結構要素。以結構件為例，圓角半徑、過渡形式與尺寸等、彎邊、型材桁條缺口均為結構要素。以螺紋連接件為例，螺紋尺寸、頭部與桿部連接半徑R、螺紋引導、毛坯直徑等數據均從相關結構要素標準中提取。

結構要素數據一方面是產品結構設計的重要組成部分，其數據選取的科學性將影響到產品的疲勞強度及壽命要求，經統計分析，螺栓頭部與桿部連接半徑R處、螺紋收尾處、螺紋部分導致螺桿疲勞斷裂的機率分別為15%、65%、20%。其型式、尺寸規格的標準化將直接影響產品聯接、互換配套和加工工藝等；另一方面是制造可行性要求的組成部分，是面向智能制造的底層數據，如鑄造斜度、退刀槽等，其數據可作為制造元特征與工藝策略等進行數控加工，影響到工具規格的選取。

1.2 結構要素的分類

結構要素不能脫離于產品而獨立存在，按照應用領域可分為機械通用結構要素、航空產品專用結構要素。其中：

● 機械通用結構要素主要應用在軍工產品非承力結構部位，應用環境、應用部位均應為一般性結構，如中心孔、滾花等，具有通用性；

● 航空產品專用結構要素主要基于產品結構特點、材料性能、工藝條件、應用環境、應用部位等要求形成，主要涵蓋聯接結構要素、傳動結構要素、典型件結構要素。其中，聯接結構要素主要包括螺紋、焊接結構要素、鉚接結構要素、鍵及鍵連接要素、法蘭盤結構要素等標準；傳動結構要素主要包括齒輪件結構要素、鏈要素等標準；典型件結構要素主要包括機加件結構要素、鈑金件結構要素、鑄件結構要素、鍛件結構要素、復合材料件結構要素等。

1.3 結構要素的參數和數據構成

結構要素數據主要涵蓋基本單元的尺寸系列、結構型式、參數系列，是附屬在典型產品上體現的，主要涉及的參數見圖1所示。該數據主要基于產品材料特性、結構要求、疲勞強度要求、可制造性要求、成形方法等因素形成。表1簡單說明標準中主要數據的構成情況。

圖1 結構要素主要參數說明

表1 現有標準中相關數據說明示例

2 國外結構要素參數優化方法的應用

2.1 推行產品幾何精確定義理念和方法

對于設計人員而言，對產品幾何進行精確定義的過程，是運用產品幾何規范定義（GPS標準）理念、借助信息化手段規定產品允許變動極限的過程。按照GPS標準理論，需要經過規范過程的表達，將設計意圖轉換為對特定幾何特征的要求，規范過程見圖2。設計人員定義理想模型，以公稱模型為基礎對相關幾何要素進行分離、提取、濾波、擬合、集成、評估等規范操作。同時，在滿足功能要求前提下考慮經濟性要求，通過軟件計算指導公差設計，求出幾何要素允許的最大變動量，確定滿足設計要求的檢驗和操作方法，標注所確定的幾何信息。

圖2 規范過程

2.2 應用基于加工仿真的設計和優化集成等新方法

改變零件結構是設計階段的工作，但在并行工程應用日益廣泛的先進企業，在結構設計階段應考慮到零件的加工制造問題，將影響加工質量的因素包含在零件的尺寸和結構設計中。應用基于加工仿真的設計和集成方法，帶來設計流程的改變，可以進行尺寸優化（如壁板厚度、孔徑尺寸的優化）、結構優化（如孔或空腔形式的優化）、功能優化（如孔的數目和分布帶來強度的優化）。在產品設計最初階段，數據選取一般取決于設計者的直覺和經驗，而其優化程度對零件性能影響最大，也影響后續尺寸和形狀優化。

結構優化技術在國外航空企業得到了成功應用?？湛凸静捎猛負鋬灮夹g對A380飛機壁板等結構件進行優化設計，實現每架客機減重1 000kg的重大突破，及其革命性的技術創新獲得了2003年度空中客車公司設立的技術創新金獎。在對A380機翼前緣肋進行尺寸優化和形狀優化過程中，根據拓撲優化的結果，開發出一整套桁架和剪切板混合的設計方案。在桁架結構的中央增加了豎直的硬板，從而為單面加工的肋板生成T型的截面并為雙面加工的肋板生成十字型的截面，確定一個擁有最佳載荷路徑的設計方案。

2.3 積累產品結構要素領域基礎性數據

國外航空裝備制造商對基礎性數據給予足夠重視，并不斷收集和分析外場數據并配合試驗手段，形成大量基礎數據庫。例如，美國在60年代末提出了“發動機結構完整性研究計劃”， 積累了大量經驗和數據，為后續型號研制提供技術支撐，如發布相關數據要求“嚴格控制榫槽底裂紋，監視裂紋發展，嚴格控制裂紋允許長度”、“輪盤輪轂上不開斜孔，開斜孔后會產生高應力集中”等。

3 國內相關標準及產品應用情況

經統計，現有國軍標4項，航空行業標準39項，主要涉及到螺紋、機加件結構要素、鈑金件結構要素和鑄件結構要素。其中，對于國軍標而言，主要對象為MJ螺紋；對于航標，主要從俄制標準轉化而來，面向尺寸規格小的鈑金件、機加件結構，并且可適用的材料有限，已遠遠不能滿足航空裝備精度高、尺寸大、結構形式復雜的功能需求以及新材料的需求。

4 發展方向

4.1 實現標準從國外引進向自主研發模式轉變

上世紀50年代初，航空結構要素標準仿制原蘇標，基本解決了標準有無的問題。之后吸收轉包生產中得到的經驗，但數據零散、不成系統，且多為滿足可制造性的相關要求，缺少對疲勞壽命設計選用的結構要素數據。對于轉包生產中特定要求有效的，是否適宜自研產品的材料要求、工況要求和結構要求等未進行科學驗證。隨著國防軍工技術由引進集成向自主創新的轉變，產品研發過程中對標準化有了新的需求。

4.2 實現對結構特征參數的優化

對于設計人員而言，對產品幾何進行精確定義的過程，是運用幾何規范定義理念、借助信息化手段規定產品允許變動極限的過程。設計人員定義理想模型、以理想模型為基礎對相關幾何要素進行分離、提取、濾波、擬合和評估等規范操作。同時在滿足功能的前提下考慮經濟性要求，通過軟件計算指導公差設計，求出幾何要素的最大變動量，確定滿足設計要求的校驗和操作方法，標注所確定的幾何信息。

在并行工程應用日益廣泛的企業，在結構設計階段就考慮到零件的加工制造問題，將影響加工質量的因素包括到零件設計中?；诩庸し抡嬖O計，可以進行尺寸優化、結構優化和功能優化。

4.3 實現對產品結構要素領域缺乏基礎性數據研究的積累

我國航空產品型號的研制過程中使用的相關結構要素數據，多由轉包生產數據轉化形成，缺乏基礎數據研究成果的積累，設計人員只能憑借經驗和繼承以往圖紙進行選用，在裝備外場過程中出現了由于基礎性結構要素應用不當帶來產品故障甚至經濟損失的情況。

4.4 實現對產品結構要素綜合驗證支持設計和制造合理性

為了滿足新一代軍工產品減重、長壽命和高可靠性的技術指標以及經濟性的要求，除了研究新材料以不斷提高材料性能外，必然也要對新材料零部件的設計與制造提出了極大的挑戰。在當前裝備數字化協同研制模式下，設計方與制造方聯系更加緊密，針對零部件結構形式中所蘊含的相關結構要素構成合理性，需要根據工藝基礎試驗不斷進行設計優化和更改。在這個反復迭代的過程中，不管是鑒于新材料性能未知性和新工藝的復雜性，還是零部件研發的緊迫性，設計方往往缺乏對結構要素之于產品性能因素的系統、綜合考慮。而制造方又經常限于生產進度安排或試驗驗證手段的匱乏，只是根據設計方提供的幾組結構要素組合的產品結構形式開展次數有限的工藝基礎試驗，往往是當產品出現故障時才針對具體問題開展相關數據的分析驗證。

5 結構要素標準研究方向及目標

5.1 研究方向

工業4.0形勢下的結構要素標準研究應面向軍工產品結構要素定義，依托于新結構、新技術、新方法的應用需求，依據“特征統計分析—特征參數理論研究—特征參數仿真優化—特征參數試驗驗證—標準制定—標準貫徹實施—標準反饋改進”的主要工作思路，形成典型結構抗疲勞優化分析能力、結構要素數據試驗驗證能力、完備的結構要素標準研發能力，提供與軍工產品研制生產發展相適應的、權威的標準參照數據，建設行業統一、規范的標準群，滿足在今后較長時期內軍工產品對結構要素標準的應用需要，全力支撐國防科技工業的發展和競爭力提升。

5.2 各階段目標

5.2.1 特征統計分析階段

主要對典型結構要素應用的結構部位、材料選用范圍、現有材料系列、工藝條件、精度等級要求和配合方式等內容進行統計；同時，針對設計階段、工藝階段和外場使用階段因結構要素參數選取不當引起的故障問題進行全面調研，統計，形成基礎大數據。

5.2.2 特征參數理論研究階段

綜合應用條件和應用要求等開展研究不同結構形式、不同參數應用、數據選取對產品強度及工藝實現性的影響，研究結構要素尺寸序列規律、配套工具及工藝方法，結構要素標準與工藝標準、檢測方法和檢測工具標準等外部條件的配套關系。

5.2.3 特征參數仿真優化階段

依據典型產品、典型結構形式、典型尺寸系列、典型加工方法和典型表面質量要求，使用傳統的基于變形能的拓撲優化方法，根據穩定性和應力約束的要求使用尺寸優化和形狀優化方法，進行典型結構的尺寸、形狀數據，應用疲勞壽命預估方法進行優化結構分析，數據迭代后形成最優的參考數據。

5.2.4 特征參數試驗驗證階段

根據零件所受載荷情況制造試件，從幾何參數、性能要求等方面進行試驗，進而獲取真實試驗數據，對優化計算結構進行驗證。

5.2.5 標準制定階段

依據應用研究階段得出的仿真數據和試驗驗證數據，結合軍工產品的特定需求、工作部位和結構要求等情況，對所需的參數內容進行確定，最終形成結構要素標準群。

5.2.6 標準貫徹實施階段

開發數字化手段的應用模塊，通過在線培訓等形式進行標準的宣貫，并針對具體應用情況進行應用問題診斷，為標準反饋改進提供基礎。

5.2.7 標準反饋改進階段

基于標準貫徹實施階段收集的情況，分析具體問題，對標準要素進一步優化確認更改。

6 結束語

結構要素是面向智能制造的底層數據，也是最基礎的數據。結合工業4.0下的大數據優勢，對結構要素標準進行研究，是基礎標準中極其重要的研究，不僅能夠為設計和工藝提供結構形式，最重要的是可以為智能設計和制造提供基礎性數據，以權威的標準參照數據，統一、規范的標準群來推動航空制造業轉型升級，成為打造智能工廠的一劑良方。

（編輯：雨晴）

[中圖分類號]T-65

[文獻標識碼]C

[文章編號]1003-6660（2016）03-0010-05

[DOI編碼]10.13237/j.cnki.asq.2016.01.003