民用飛機總體方案設計綜合軟件平臺框架研究

王 敏 劉 明 王海強 / WANG Min LIU Ming WANG Haiqiang

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

民用飛機總體方案設計綜合軟件平臺框架研究

王 敏 劉 明 王海強 / WANG Min LIU Ming WANG Haiqiang

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

充分運用系統工程的思想，研究一種高效率、高質量的飛機總體方案設計綜合軟件平臺。通過研究和實踐證明，民機總體方案集成化設計的思路是可行的，通過該軟件平臺可以實現總體方案的一體化集成設計，進行設計方案的快速更改和關聯更新，大量減少低效率的人工重復勞動，提高工作效率，從而大幅度提高主機院所的自主設計和創新設計能力。

民用飛機；總體方案設計；系統工程

0 引言

對于民機設計而言，由于面向民用航空市場，設計時間和成本對民機型號設計的成敗有著更為顯著的影響。激烈的市場競爭要求主機院所必須在極短的時間內，拿出高質量的、有競爭力的總體設計方案。

依據飛機設計任務的先后關系和詳細程度，把飛機整個設計過程分為三個階段：概念設計、初步設計和詳細設計。飛機總體設計指的是從概念設計到初步設計階段所進行的總體方案設計全過程[1]。飛機總體設計是一個復雜的工程系統設計，需要對所面臨的數目眾多的需求、目標進行綜合權衡，以便作出在給定約束條件下的最優方案[2]，才能在技術和商業上取得成功。上述挑戰對現有的民機設計能力提出了迫切要求：總體專業必須具備多方案快速迭代、綜合化、集成化的設計能力。

傳統的民機總體設計手段存在許多問題，制約了飛機總體設計能力的提高。

1) 軟件使用模式：專業軟件的應用仍然是設計員直接操作軟件的一對一模式，由于使用過程復雜，造成工作效率低，人員要求高，軟件不能充分共享，價值無法充分發揮；

2)數據流：各種軟件沒有按設計流程進行集成，大部分數據銜接需要依賴人工完成，造成設計人員數據處理工作量大，大量低層次的工作重復化，過程效率低，可靠性差；

3)專業關系：各專業設計模型關系松散，缺乏關聯，方案更改和設計協調的工作量巨大，難以實現各專業的快速設計迭代，難以對設計方案進行綜合優化；

4)過程管理：依靠人際協調，過程不規范，沒有真正按設計流程驅動設計過程，缺乏有效手段對任務狀態、進度、資源進行控制和管理，嚴重影響管理效率；

5)知識和經驗：缺乏管理各種知識、經驗和規則的有效手段，軟件使用結果不規范，知識難以共享和重復利用，企業的知識風險很高。

20世紀70年代開始，依靠計算機強大的計算分析和精確的圖形顯示，客機總體設計技術徹底升級了。世界上的許多大公司和高校都開發了基于計算機的客機綜合分析設計平臺[3-4]，并產生了一系列核心科研成果和技術，積累了豐富的經驗，建立了完善的飛機綜合設計系統，大幅提高其技術水平。隨著公開的飛機運營資料逐漸增多，一些成熟的軟件也應運而生，例如AAA[5]、Piano[6-7]、Pacelab[8]等。

因此，針對傳統的民機總體設計中存在的問題，應借鑒先進的平臺框架軟件理念，盡快建立起一套可以高效率、高質量地進行飛機總體方案設計的軟件平臺，實現傳統的“基于經驗和試錯驅動”的設計模式向“基于工程模板和流程驅動”的設計模式轉變。

1 民用飛機總體方案設計綜合軟件平臺的構建目標

本文充分運用系統工程的思想，建立可以高效率、高質量地進行飛機總體方案設計綜合軟件平臺，大幅度提高主機院/所的自主設計和創新設計能力。

民機總體方案設計綜合軟件平臺應用于概念設計階段和初步方案設計階段的總體、氣動、性能等方案的綜合設計。使用此平臺框架可以進行多種總體設計方案的對比，以及多輪設計循環的迭代。在每一個方案設計循環里面，主要關鍵技術專業的問題都能考慮進去，防止方案留下致命的顛覆性隱患，使相關不同專業的參數組合達到優化，以提供合理的階段性的總體設計方案，并為后續設計階段提供設計輸入。

民機總體方案設計綜合軟件平臺以“流程+框架+工具”為基本思路，并提出下列建設目標：

1)實現對協同設計工作過程的管理，包括任務和數據的處理，資源、進度、狀態管理，以提高過程規范性和過程效率，提高管理效率，降低管理難度；

2)在設計全過程可對各種設計參數、設計模型、分析仿真結果、試驗結果和報告等數據進行統一管理和統一使用，實現協同設計過程的統一數據源；

3)建立基于CAD環境的相關多學科設計、分析和優化的集成環境，提高過程和數據的關聯性；

4)在設計全過程有效進行知識的封裝和重復使用，加強對知識和經驗的管理,降低軟件使用門檻，并實現企業的長期知識增長體系；

5)具有高度的開放性和可擴展性，能夠適應設計手段的發展和設計理念的變化，能夠支持將新程序和工具不斷接入系統，能夠無需編程而定制系統的流程、功能和界面，可適用于所有設計階段，為后續總體設計綜合平臺的完善和更新奠定基礎。

2 民用飛機總體方案設計綜合軟件平臺的構架

民機總體方案設計綜合軟件平臺的系統框架如圖1所示。

圖1 平臺的系統框架示意圖

此平臺框架具有以下創新點：

1)系統工程

以規范化的協同設計過程為紐帶，從系統的觀點出發，組織和協調飛機總體綜合設計活動，從而將人員、數據、工具和流程關聯為一個動態系統，以保證總體設計各個階段中的系統化思想能夠得到有效地執行和監控；

從系統整體的角度出發，在飛機總體綜合設計所涉及的不同層次、不同學科領域內，開展以模板為表現形式的知識與經驗的封裝，并建立以流程模板為驅動，以單元模板為最小實現的集成與控制機制，推動總體設計方案的逐步求解，實現總體方案的多學科集成化設計。

2)協同管理

飛機總體設計的基本特征是團隊協同設計，因此，民機總體方案設計綜合軟件平臺不僅需要通過在集成設計環境中建立統一關聯模型來保證團隊的數據協同，而且還需要通過在項目流程一體化協同中合理地規劃和控制各種設計活動之間的邏輯關系，以實現過程協同。

3)模塊化設計

通過模板開發環境進行民機方案總體設計和分析模板的封裝。通過模板對各專業的設計過程和方法進行提煉和抽象，實現知識和經驗的固化、管理和重復使用，工程人員可以方便地利用模板內部封裝的規則、工具等，通過“搭積木”的方式快速完成設計、建模、分析、仿真等各種不同的工作，簡化和加快了設計人員的設計工作。

4)與CAD圖形設計環境無縫鏈接

使用CATIA作為圖形引擎進行總體方案設計，所有的幾何定義都基于CATIA環境，所有通過模板進行的設計、建模、分析過程都在CATIA環境中完成，各專業之間也基于CATIA主模型進行數據對接以實現多專業綜合設計。

基于CATIA環境的總體方案設計綜合軟件平臺可以在方案設計階段開展精細程度更高的綜合設計，設計結果能夠進一步無縫延伸到后期的初步打樣設計和詳細設計，而無需進行格式轉換或模型重構。

5)開放式、可擴展平臺

提供豐富的第三方工具接入接口：平臺提供文件、COM、DLL、腳本等多種形式的接口，可以方便地將新的程序和工具接入系統；

定制高度靈活的數據庫體系：可根據需要隨時通過基本數據類型定制得到新的輸出數據庫；

進行可豐富功能的模板封裝：在模板開發環境中可通過模板封裝不斷將新的知識、方法納入系統，實現平臺專業設計功能的不斷深化；

實現可拓展的應用范圍：在集成設計環境中，用戶可以根據需要開發新的專業設計模板，實現平臺應用范圍的不斷拓展。例如，可將平臺的應用范圍拓展到結構設計、系統設計等。

3 民用飛機總體方案設計綜合軟件平臺框架的技術特征

3.1 項目流程一體化管理模塊

項目流程一體化管理模塊是項目管理與流程管理一體的綜合管理系統，主要是通過過程定義、過程驅動和過程監控來實現。通過過程定義，可以保證設計流程的規范性和可重復性，通過過程驅動，可以保證總體設計工作的有序推進，而通過過程監控，又可使各級設計人員有效、及時地了解設計狀態和設計進度，為過程調整提供依據。

項目流程一體化管理模塊的具體技術特征如下：

1)流程管理與項目管理完全一體，底層共用一套任務單元信息；

2)采用基于“時間+邏輯+數據”的任務驅動機制；

3)提供豐富直觀的任務定義視圖，流程定義、人員定義、計劃定義、統計分析等視圖實時聯動；

4)對開發過程進行全面的實時監控，各級工程管理人員可以對項目狀態、任務完成情況、資源使用率進行更好地追蹤。

3.2 模板開發環境

模板開發環境是設計、分析工具和知識的封裝環境。模板開發環境可以大大降低專業軟件的使用難度，實現知識和經驗的管理，以及提高系統的開放性和可擴展性。

模板開發環境具體技術特征如下：

1)可定制直接面向工程任務的人機界面；

2)可對各類設計、分析模型或應用軟件進行集成和封裝；

3)可在后臺驅動設計、分析、仿真軟件的建模、求解和后處理過程；

4)可定義參數、文件、對象類型的數據接口；

5)可進行輸入輸出文件或腳本文件的解析；

6)可進行公式及表達式的定義；

7)可集成可執行應用程序；

8)可定義數據庫結構和進行數據庫錄入、查詢、更新、刪除操作。

3.3 集成設計環境

集成設計環境是多學科設計、多學科建模、多學科分析的一體化環境。通過調用設計、建模、分析模板、基礎數據庫，可以快速建立設計對象的統一關聯模型，實現總體設計方案的快速建模、快速分析以及快速協同更改。

集成設計環境的具體技術特征如下：

1)可搭積木式地用模板快速建立總體設計方案以及多學科分析模型；

2)可通過數據流和控制流將設計對象關聯起來；

3)可根據數據流、控制流進行模型的協同更改和運行；

4)可方便地將若干模板有機地封裝為組合模板；

5)無需底層開發就可快速構造一個復雜的多學科任務；

6)可無縫集成CATIA環境，可直接在CATIA環境中編輯模板對象；

7)可對數據狀態和任務執行狀態進行實時管理；

8)可檢索和查看方案模型、數據和報告。

4 平臺應用實例

根據上述研究思路建立了一個民用飛機總體方案設計綜合軟件平臺，并通過一個150座級的民用飛機總體方案設計的驗證案例對平臺的技術思路可行性及設計結果可信度進行驗證。

結果證明使用此平臺能夠實現總體方案的一體化集成設計，在此平臺完成了下述功能：

1)采用項目流程一體化管理模塊進行了任務分解、任務派發、流程驅動、任務監控；

2)在集成化設計環境中，基于設計流程建立了設計方案的統一關聯模型，實現設計方案的快速更改和關聯更新；

3)實現了各模板庫的專業功能，包括布局設計模板庫、外形設計模板庫、布置設計模板庫、氣動分析模板庫、重量分析模板庫、性能分析模板庫和操穩分析模板庫；

4)完成了各模板之間的數據接口和數據傳遞。

案例所采用的設計流程如圖2所示。

圖2 設計流程

完成的飛機總體設計參數見表1。

表1 飛機總體設計參數

完成的機身等直段剖面如圖3所示。

圖3 機身等直段剖面

完成的全機三面圖如圖4所示。

圖4 全機三面圖

完成的混合級客艙布置如圖5所示。

圖5 混合級客艙布置圖

將案例實施和某型號預研階段的設計方法、設計結果和設計周期相對比，情況如下：

1)布局、布置、外形設計見表2。

表2 布局、布置、外形設計對比

布局、布置、外形設計對比結果：

總體布局、布置、外形設計與某型號預研結果基本一致。

2)重量特性估算見表3。

表3 重量特性估算對比

對比結果：

最大起飛重量和使用空機重量的計算結果和某型號預研結果誤差在20%之內。

3)氣動特性分析見表4。

表4 氣動特性分析對比

氣動特性分析對比結果：

在流場模擬方面，PANAIR無法計算包含跨音速條件、粘性效應及分離條件的流場；而BLWF可以計算弱分離，并能進行粘性修正；CFX軟件無此限制。

在使用范圍方面，PANAIR可以用來進行全機氣動力評估；而現在BLWF只能計算翼身組合體構型，僅用于機翼設計；CFX用于全機或部件氣動力詳細分析。

平臺PANAIR宏觀氣動力系數、壓力云圖的結果趨勢和某型號預研基本一致；但PANAIR比較適用于方案設計階段的快速分析，但在數據準確度和應用范圍有所局限。

4)性能估算見表5。

表5 性能估算對比

性能估算對比結果：

由于采用了快速的工程估算方法，平臺大大簡化了性能估算的輸入數據量和輸入參數，減少了數據前期準備和后處理的時間。

起飛場長和著陸場長的計算結果與某型號預研結果誤差在20%之內。

5 結論

本文建立了一個民機總體方案設計綜合軟件平臺框架，實現了初步的集成設計功能。實踐證明，民機總體方案集成化設計的思路是通的，可以實現設計方案的快速更改和關聯更新，大大減少低層次的人工重復勞動，提高工作效率。可以預期，經過進一步的發展和不懈努力，我們最終將建立工程化的民機總體設計平臺，在統一的環境中實現民機總體方案的一體化設計、分析，為型號的研制提供先進的數字化手段。

[1] 余雄慶，徐惠民，昂海松. 飛機總體設計[M]. 北京: 航空工業出版社，2000: 2-16.

[2] 陳迎春，宋文濱，劉洪.民用飛機總體設計[M].上海：上海交通大學出版社，2010.

[3] WALLACE R E. Parametric and Optimization Techniques for Airplane Design Synthesis, AGARD LS-56, April 1972.

[4] HELDENFELS R R. Integrated Computer-aided Design of Aircraft[J]. AGARD CP-147 Vol. 1, Paper No. 16, October 1973.

[5] ROSKAM J. Airplane Design[M]. Ottawa (KS, USA): Roskam Aviation and Engineering Corporation, 1985.

[6] SIMOS D. Piano-X aircraft emissions and performance user’s guide[M]. Woodhouse Eaves (UK): Lissys Ltd, 2008.

[7] SIMOS D. Computer methods for the preliminary design and operational optimization of twin engine propeller driven aircraft[D]. Loughborough (UK): Loughborough University, 1984.

[8] PACE Documentation Library. Pacelab suite for preliminary design: customer benefits and functional description (Pacelab Whitepaper)[M]. Berlin (Germany): PACE Aerospace Engineering and Information Technology GmbH, 2007.

Research on Integrated Software Platform for Aircraft General Design

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

Following the philosophy of systems engineering, an integrated software platform with high efficiency and high-quality is studied for aircraft general design. The research results and practice have proved that the proposed integrated design is feasible and the quick design change and update of the design dependency can be implemented. The low efficient manual work can be reduced significantly and the work efficiency can be enhanced, thus the level of design independency and innovation can be largely improved.

civil airplane; general design; system engineering

V221

A

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.04.013

王敏女，碩士研究生，高級工程師。主要研究方向：總體布局設計；Tel：021-20865600；E-mail：wangmin@comac.cc

劉明男，碩士研究生，工程師。主要研究方向：總體布局設計；Tel：021-20865725；E-mail：liuming@comac.cc

王海強男，博士，工程師。主要研究方向：總體布局設計；Tel：021-20865601；E-mail：wanghaiqiang@comac.cc