協調用民用飛機數字樣機完整性初步研究

陳　裕　徐　劍 /

(上海飛機設計研究院，上海201210)

0　引言

數字樣機是對產品的真實化、集成化的虛擬仿真，用于工程設計、干涉檢查、機構仿真、產品拆裝、加工制造和維護檢測等模擬環境。由于民機研制的高度復雜性以及長周期性，基于數字樣機來進行數字化預裝配、工裝設計及可制造性分析己成為現代民用航空制造業的趨勢，并已在民機研制過程中有了廣泛的應用。如波音777項目實現了第一個在民機領域采用全數字化定義和無圖紙生產，其10萬多個零部件實現了數字化設計，用計算機進行數字化預裝配、設計更改，零件返工率減少93%以上，裝配問題減少50%～80%[1]。我國某型號飛機采用數字化設計技術，建成了可全面用于生產的全機數字樣機，相比于傳統方法，縮短了60%的設計周期、減少了40%的設計反復[2]。

1　完整性的定義

協調用數字樣機可以用來檢查飛機各系統、結構的協調性，進行總體優化布置[3]。數字樣機有2個重要的屬性，即完整性與正確性。完整性是個很寬泛的定義，涉及到方方面面，與飛機的數字化定義、產品數據的構型管理、數字樣機管理、產品數據管理(Product Data Management，簡稱PDM)等均有一定關系。協調用數字樣機完整性包含兩個方面，其一是數字樣機模塊內部完整性，包括：(1)各模塊下零組件的裝配關系及信息是否完整；(2)零組件數據集信息是否完整；(3)零組件下裝配的成品、元器件和標準件是否完整。

其二是協調用數字樣機在研制的各階段，各類數字樣機(如結構樣機、系統樣機、分區樣機等)的完備性，包括：(1)數字樣機模塊是否有遺漏或缺失；(2)數字樣機模塊數據源的傳遞是否完整。

本文所定義的完整性，是個相對的概念，是對應于飛機的某個研制階段而言的。本文完整性基于正式飛機數字樣機協調狀態，用于描述數字樣機設計輸入結果的完備性。

2　完整性的意義

民用飛機數字樣機研制過程，也就是對全機數字化定義不斷完善的過程，在基于數字化產品數據做有效協調與管理時，首先就要確保協調用數字樣機所描述產品數據的及時完整。完整性的意義在于能充分發揮數字樣機技術在民機研發過程中縮短研制周期、提高設計質量、減少設計反復的優勢，及時高效地發現、協調、解決飛機設計中的各類空間定位與幾何接口問題。完整性還有助于提高數字樣機的協調性與相關設計工作的準確性，提升設計結果的成熟度。因此完整性是基于數字樣機開展有效協調工作的前提與基礎。

換言之，如果數字樣機的完整性不能保證，則會對后續數字樣機檢查與驗證等關鍵節點的有效性帶來一定隱患。如產品數據的遺漏或缺失而造成后續設計更改，帶來不必要的重復協調與設計，進而延長研制周期、增加研制成本；如果問題未及時排除，遺留至飛機研制的后期，可能使工程更改花費巨大，周期更長。若涉及到多專業界面的更改，比如在飛機上空間狹小、系統密集布置的區域出現此類問題，無疑加大了設計更改難度。因此對于協調用的數字樣機，需要提高數字樣機的研制質量，以確保飛機各研制階段的數字樣機的完整性。

3　完整性的關鍵點

鑒于數字樣機完整性在數字樣機研制中的重要作用與地位，如何快速、便捷、有效地確保數字樣機的完整性是一個亟待探索與研究的課題。

民用飛機協調用數字樣機完整性屬于民用飛機數字化技術的一個方面，與飛機主制造商的信息化、數字化技術開發與應用是相關的。為確保飛機協調用數字樣機的完整性，需在民用飛機數字化技術的建模規則、協調流程、管理制度等幾個方面開展相關深入研究與分析，下面分別詳細論述。

3.1 數字樣機建模規范與數據傳遞規則

產品數據的數字化定義是民用飛機實施數字化的關鍵一步，而產品數據模型的規范化則是實施數字化的重要內容，對于縮短研發周期、保證產品質量和降低成本具有重要作用[4]。在數字樣機研制過程中，需明確飛機數字樣機的數據要求、管理范圍及方法，其具體內容包括：制定基于統一的數據源的產品建模、標注、質量、設計流程、數據結構等規范，確保各產品數據能夠兼容、完整記錄；實施好PDM系統與CAD(Computer Aided Design)設計軟件的集成與管理，通過制定與開發PDM系統實現對數據的有效保存、記錄、檢測。

民用飛機數字樣機的數據量極大，且往往涉及到異地跨區域的并行協同設計，國內、國際合作供應商眾多，因此確保數據格式的統一對于數據完整傳遞是非常重要的，需要重視以下幾點。

1)考慮到協調的便捷性與快速性，應定義協調用數字樣機對數據屬性的要求。

2)需明確協調用數字樣機與數字化定義的數據源之間數據轉化與傳遞方法，確保數據的傳遞質量滿足要求，此外還應關注如何發現數據傳輸與轉化的錯誤，盡量做到數據傳輸結果的可視化。

3)借助PDM平臺的管理工具，以快速、高效地獲取所需的協調用各種類數字樣機，減少人為因素造成的錯誤。

4)做好對數據傳遞的監督工作，制定相應的問題解決措施與制度，確保數據的完整傳遞。

5)數字模型發放時要檢查和保證各節點與其所關聯的三維數字模型的完整性。

以基于模型的定義(Model Based Definition，簡稱MBD)技術為例(目前主流的三維數字樣機定義技術)，MBD指在三維模型中集成公差、尺寸等注釋性標注、產品設計信息、制造要求等以對產品進行全面描述，滿足該產品在全生命周期中各種需求的一種數字化的定義產品方式[5]，如圖1所示。實施MBD技術，需要詳細定義基于MBD的通用建模標準(包含關聯設計數據，實體模型，零件坐標系統，尺寸、公差和標注，工程說明，材料需求，其它定義數據等)。為了滿足MBD協同設計及并行設計要求，還需要建立MBD數字樣機標準、MBD模型的簡化標準等。

圖1　基于MBD的數字樣機模型設計

3.2 優化數字樣機協調流程

總體布置設計人員通過協調用數字樣機進行協調時，考慮到飛機龐大的數據量，通常的做法是采用分區域或分部段管理與協調，對于區域或部段級數字樣機，由于涉及到的結構、系統樣機的數量眾多，在實際協調過程中特別容易出現數字樣機的缺失進而影響完整性。針對這種情況，需要重視并做好以下幾項工作。

1)不同區域或部段接口的協調

需要定義與協調好不同部段或區域幾何接口控制界面，盡量避免相關系統數字樣機模塊跨部段或區域劃分，比如可以采用基于部段的模塊化定義與設計；如不能避免，則要做好接口界面控制與協調，避免遺漏缺失，盡量保證飛機結構、系統在接口界面的協調一致性，圖2為飛機采用了接口定義的模型示意。

2)數字樣機動態管理

由于基于數字樣機開展的飛機總體布置協調是多專業的協同設計的過程，最大的特點是變，體現在幾個方面：(1)布置方案存在變化，在數字樣機研制初期，系統與結構布置的多方案權衡階段尤為突出，數字樣機也就處于一個相對多變與不確定的狀態；(2)飛機上各系統、結構以及各部段的協調狀態與成熟度不一致也會使數字樣機在較長階段處于一個“協調-更改-協調”的變化之中；(3)數字樣機變更不及時而存在與協調狀態的不一致性問題。這些變化如不管理好，會對飛機數字樣機的完整性帶來挑戰。

基于以上幾個因素，一方面可以借助相應的PDM系統管理工具與手段，盡量做到各類數字樣機的組建便捷、狀態清晰、傳遞準確、追溯簡單、實時記錄，實現一定程度的動態管理，以方便對相應協調狀態下的數字樣機進行完整的檢索與獲取。另一方面需要完善數字樣機相應的協調或管理流程，必要時需梳理與查找整個數字樣機流程控制過程中的缺陷，確保數字樣機狀態與協調狀態保持一致。

3)構型更改評估

圖3　DMU模塊更改評估流程

規劃好相應的數字樣機模型的構型更改流程，對于模型更改、增加、取消，需要做到慎重評估與記錄，以確定其對現有數字樣機協調的影響范圍與程度，并采取相應的應對方案，基于DMU模型更改的評估流程如圖3所示。同樣也可以借助于相關PDM系統管理工具，以實現構型更改引起的數字樣機模型的變化及時反饋到協調用數字樣機中，做到不影響數字樣機完整性，確保數字樣機狀態清楚、可控。

3.3加強數字樣機日常管理

數字樣機管理制度與機制也對確保數字樣機完整性有重要作用，在飛機數字樣機研制過程中，需組建數字樣機研制的管理/協調團隊，團隊人員應涵蓋總體、系統、結構等各個專業的人員，用于日常的數字樣機協調與管理。

為保證數字樣機的完整性，在數字樣機研制與維護過程中，需加強相應的管理與控制，重視以下幾點。

1)根據數字樣機協調區或部段的劃分，做好協調人員的合理分工，設置A、B角工作制度，明確職責，相互交流；同時定人定崗，盡量減少人員變動，如人員變動時做好工作交接與過渡。

2)不同部段或協調區接口負責人員要定期交流溝通，界面周邊需一起協調，反復確認。

3)定期組織進行數字樣機專項檢查，對于發現的不合理的細節區域要細致檢查，(如樣機上有支架卻沒有系統，結構有開孔卻沒有管線路通過等)，確保不遺漏、不缺失。

對于發現的完整性的問題，要舉一反三，找到問題的癥結，制定相應的糾正措施，并落實到相應的制度與管理規范上，避免問題再次出現。同時專人負責對PDM系統監督與維護，確保系統能滿足使用需求，并定期根據協調反饋的問題或提出的優化及改進建議，完善系統相關功能或開發新的功能。

4　總結與展望

完整性是民用飛機數字樣機研制的重要評價指標，在數字樣機的研制過程中應注重產品的數字化定義與數據的規范化，科學開發與優化數字樣機設計與協調流程，健全與完善數字樣機團隊的管理，努力提升數字樣機完整性。

隨著數字樣機技術的迅速發展，其在民用飛機研制過程中應用的廣度與深度均進一步加深，譬如數字樣機的涵蓋概念不局限于飛機的幾何屬性，還延伸至飛機的功能屬性[6]，因此數字樣機完整性還有待進一步研究。