飛機(jī)可配置數(shù)字樣機(jī)敏捷構(gòu)建方法研究與應(yīng)用

李 強(qiáng)，趙 攀

（中國航空工業(yè)集團(tuán)公司第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710089）

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)建模技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)和多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)等數(shù)字化產(chǎn)品研制新技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字樣機(jī)技術(shù)在航空航天以及其他工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍。數(shù)字樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用在飛機(jī)的設(shè)計(jì)、仿真及制造等領(lǐng)域取代了基于物理樣機(jī)試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)研制模式，形成了仿真驅(qū)動(dòng)的數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)流程，極大提高了工作效率，縮短了型號研制周期。

隨著數(shù)字樣機(jī)技術(shù)在飛機(jī)研制全生命周期過程中的廣泛應(yīng)用，數(shù)字樣機(jī)的種類越來越多。按研制階段分類，數(shù)字樣機(jī)可以分為一級樣機(jī)、二級樣機(jī)和三級樣機(jī)，一級樣機(jī)形成于飛機(jī)初步設(shè)計(jì)階段，用于支撐多方案設(shè)計(jì)迭代與選型；二級樣機(jī)形成于飛機(jī)詳細(xì)初步設(shè)計(jì)階段，用于支撐多專業(yè)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)；三級樣機(jī)形成于飛機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，用于支撐產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)和試制[1]。按產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分類，數(shù)字樣機(jī)可以分為結(jié)構(gòu)樣機(jī)、系統(tǒng)樣機(jī)、分區(qū)樣機(jī)和全機(jī)樣機(jī)。按樣機(jī)用途分類，數(shù)字樣機(jī)可以分為仿真樣機(jī)、工藝樣機(jī)、培訓(xùn)樣機(jī)和服務(wù)保障樣機(jī)等。按樣機(jī)構(gòu)建目的、構(gòu)成要素分類，數(shù)字樣機(jī)可以分為幾何樣機(jī)、功能樣機(jī)和性能樣機(jī)[2,3]。

數(shù)字樣機(jī)技術(shù)在飛機(jī)型號研制的應(yīng)用越來越廣泛和深入，但是仍存在以下幾方面的問題：

1）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組織形式單一。在特定的飛機(jī)研制階段，基于一種或固定幾種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹開展研制工作，組織形式單一。隨著數(shù)字樣機(jī)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，仿真樣機(jī)、培訓(xùn)樣機(jī)和服務(wù)保障樣機(jī)等專用樣機(jī)的構(gòu)建需求越來越多樣化、個(gè)性化，單一的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組織形式無法滿足不同角色的設(shè)計(jì)、管理人員根據(jù)工作的個(gè)性化需求精確、快速獲取數(shù)字樣機(jī)。

2）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組織方式不統(tǒng)一。不同型號的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組織方式不一致，有些型號按照ATA100規(guī)范組織，有些型號按照部段、系統(tǒng)相結(jié)合的方式組織。設(shè)計(jì)、管理人員同時(shí)參與多個(gè)型號時(shí)，需要學(xué)習(xí)、適用多種組織方式，PDM系統(tǒng)開發(fā)維護(hù)人員需要對多種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)維護(hù)，給型號設(shè)計(jì)、管理帶來諸多不便。

3）研制階段轉(zhuǎn)換工作量大。飛機(jī)設(shè)計(jì)一般經(jīng)歷方案設(shè)計(jì)階段、詳細(xì)初步設(shè)計(jì)階段、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，在不同階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)雖然有所不同，但是相鄰的階段之間數(shù)據(jù)具有繼承性與傳遞性，階段的轉(zhuǎn)換是平滑過渡。目前在階段轉(zhuǎn)換時(shí)，通常將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)重新保存、重新編號，工作量大，而且新編號的數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)的追溯關(guān)系往往難以追蹤，此外相同的數(shù)據(jù)采用不同的編號會(huì)產(chǎn)生大量冗余數(shù)據(jù)。

4）三維模型格式單一。目前三維模型主要采用CATIA軟件設(shè)計(jì)，PDM系統(tǒng)中管理的三維模型為CATIA軟件保存的原格式模型。型號研制過程中通常要做大量的多專業(yè)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)、干涉檢查和電子樣機(jī)評審等工作，涉及的模型數(shù)目較多，采用CATIA格式的模型占用空間較大，協(xié)調(diào)效率較低，迫切需要輕量化格式的模型。

本文以某飛機(jī)研制過程為背景，詳細(xì)描述了數(shù)字樣機(jī)的構(gòu)建過程，提出了一種數(shù)字樣機(jī)多視圖敏捷構(gòu)建方法，采用產(chǎn)品數(shù)據(jù)模塊化管理和分層管理方法，從區(qū)域、部段和系統(tǒng)等維度構(gòu)建統(tǒng)一的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提供CATIA格式和輕量化格式的多種設(shè)計(jì)模型，形成可以根據(jù)不同業(yè)務(wù)需求，準(zhǔn)確快速構(gòu)建不同種類的數(shù)字樣機(jī)的能力，滿足飛機(jī)研制不同階段的數(shù)字樣機(jī)需求。

2 總體思路

為簡化飛機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹定義與管理，滿足飛機(jī)不同研制階段多樣化的數(shù)字樣機(jī)構(gòu)建需求，采用產(chǎn)品數(shù)據(jù)模塊化管理和分層管理方法，構(gòu)建多種類型的管理視圖，實(shí)現(xiàn)多維度快速獲取設(shè)計(jì)模型，總體思路如圖1所示。

圖1 可配置數(shù)字樣機(jī)構(gòu)建

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹分為兩層，即管理層和設(shè)計(jì)層。管理層實(shí)現(xiàn)對數(shù)字樣機(jī)模型的組織，可以按照系統(tǒng)、區(qū)域、構(gòu)建目的、構(gòu)成要素等維度劃分，每個(gè)維度可以劃分多個(gè)層級。設(shè)計(jì)層由具體的數(shù)字樣機(jī)模型組成，采用模塊化管理思想，構(gòu)建飛機(jī)設(shè)計(jì)模塊庫，作為數(shù)字樣機(jī)模型的唯一數(shù)據(jù)源。在飛機(jī)研制過程中，對數(shù)字樣機(jī)組織管理的需求是復(fù)雜多變的，因此管理層是隨著使用場景的變化動(dòng)態(tài)變化的，而構(gòu)成設(shè)計(jì)層的設(shè)計(jì)模塊庫是唯一的、同源的。在構(gòu)建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹時(shí)，管理層與設(shè)計(jì)層分別構(gòu)建，最后構(gòu)建管理層與設(shè)計(jì)層的關(guān)系。通過管理層與設(shè)計(jì)層的分離，降低兩者之間的耦合度，提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹管理的靈活性。

在飛機(jī)研制過程中，基于數(shù)字樣機(jī)的使用場景，包括干涉檢查、維修性分析、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析和培訓(xùn)演示等，每一種場景獲取設(shè)計(jì)模型的需求可以分解為一組過濾條件。通過在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹管理層選取對應(yīng)的過濾條件，將每個(gè)過濾條件關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)模塊集合取交集，可以快速得到一組過濾條件對應(yīng)的設(shè)計(jì)模型結(jié)果。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹分層管理

構(gòu)成數(shù)字樣機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的元素分為兩類，一類是設(shè)計(jì)模型，另一類是用于組織管理設(shè)計(jì)模型的虛擬節(jié)點(diǎn)，因此將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹分為設(shè)計(jì)層和管理層。

管理層不涉及設(shè)計(jì)模型的定義以及描述信息，是從數(shù)據(jù)組織、構(gòu)型管理等維度構(gòu)建的特定視圖，根據(jù)管理的顆粒度不同可以分層級劃分。管理層可以從多個(gè)維度定義，可以定義結(jié)構(gòu)樣機(jī)的管理層，管理飛機(jī)的結(jié)構(gòu)部件；可以定義系統(tǒng)樣機(jī)的管理層，管理飛機(jī)的組成系統(tǒng)；可以定義分區(qū)樣機(jī)的管理層，管理飛機(jī)的不同區(qū)域。每種管理層可以定義多個(gè)層級，如系統(tǒng)樣機(jī)的管理層中任務(wù)系統(tǒng)可以分為貨運(yùn)分系統(tǒng)、空降分系統(tǒng)和空投分系統(tǒng)等。

設(shè)計(jì)層基于模塊化管理方法定義，將全機(jī)分解成一系列設(shè)計(jì)模塊，形成全機(jī)的設(shè)計(jì)模塊庫，通過對設(shè)計(jì)模塊和模塊內(nèi)零部件的兩級管控，簡化管理模型[4]。在不同的設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)模塊的定義方法與原則不同，在方案設(shè)計(jì)階段，通常基于總體設(shè)計(jì)專業(yè)發(fā)布的外形、氣動(dòng)布局定義結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)等專業(yè)的方案控制單元，進(jìn)行多專業(yè)的方案設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)。在詳細(xì)初步設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)等專業(yè)基于方案階段的設(shè)計(jì)模型定義顆粒度較粗的設(shè)計(jì)模塊，進(jìn)行多專業(yè)的占位協(xié)調(diào)。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，飛機(jī)設(shè)計(jì)模塊定義要從設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)保障多個(gè)維度綜合考慮[5]。為確保模塊定義的合理性和靈活性，工藝工裝設(shè)計(jì)人員和服務(wù)保障人員要在設(shè)計(jì)階段就介入模塊定義工作，將飛機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、制造數(shù)據(jù)和服務(wù)保障數(shù)據(jù)進(jìn)行模塊化定義，形成完整的飛機(jī)設(shè)計(jì)模塊庫[6]。

構(gòu)建數(shù)字樣機(jī)的設(shè)計(jì)層數(shù)據(jù)除了數(shù)字樣機(jī)模型，還應(yīng)該包括三維模型表達(dá)的產(chǎn)品信息，例如零部件結(jié)構(gòu)、重量信息和材料尺寸信息等[7]，在詳細(xì)設(shè)計(jì)結(jié)束后，將產(chǎn)品信息與三維模型一起發(fā)布，供制造廠和后續(xù)飛機(jī)維護(hù)保障使用。數(shù)字樣機(jī)構(gòu)建過程中通過與MCAD、ECAD等設(shè)計(jì)工具的集成，將三維模型表達(dá)的產(chǎn)品信息結(jié)構(gòu)化提取，將提取結(jié)果與CAD模型、輕量化模型統(tǒng)一集中管理，形成單一數(shù)據(jù)源。

3.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹多視圖管理

基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹分層管理的思想，管理層用于組織管理設(shè)計(jì)模型，多視圖管理本質(zhì)上是對管理層的定義與管理。每一個(gè)確定的管理層，對應(yīng)了一種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的管理視圖。

在飛機(jī)設(shè)計(jì)、制造、使用、服務(wù)保障的整個(gè)生命周期過程中，不同階段的業(yè)務(wù)人員需要從不同的角度管理和使用數(shù)字樣機(jī)，因此需要定義多種視圖以滿足多樣的使用需求。

以詳細(xì)設(shè)計(jì)階段為例，將飛機(jī)管理層分為固定不變類和個(gè)性化定義類，實(shí)現(xiàn)可配置數(shù)字樣機(jī)管理層的靈活定義。固定不變類是根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定義的管理層，例如按照飛機(jī)部段定義的管理層和按照飛機(jī)組成系統(tǒng)定義的管理層等。個(gè)性化定義類是根據(jù)特定的業(yè)務(wù)需求定義的組織數(shù)字樣機(jī)模型的管理層，例如起落架裝置維修性分析、座艙人機(jī)工程分析和環(huán)境控制系統(tǒng)培訓(xùn)等。固定不變類管理層相對穩(wěn)定，定義的時(shí)機(jī)一般為飛機(jī)設(shè)計(jì)階段，個(gè)性化定義類管理層定義的時(shí)機(jī)貫穿整個(gè)飛機(jī)生命周期。

固定不變類管理層定義應(yīng)遵從單維度原則，即在一種管理層定義時(shí)僅考慮一種管理維度，例如按照部段或系統(tǒng)分別定義部段管理層、系統(tǒng)管理層。由于不同業(yè)務(wù)人員對數(shù)字樣機(jī)的管理需求不同，如果在管理層定義中引入多種管理維度，極易造成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹管理組織混亂，最終無法同時(shí)滿足不同業(yè)務(wù)人員的不同需求，業(yè)務(wù)人員的多樣化管理需求是基于固定不變類管理層通過個(gè)性化配置實(shí)現(xiàn)的。

根據(jù)飛機(jī)研制需求，定義區(qū)域、部段和系統(tǒng)等固定不變類管理層，構(gòu)建固定不變類管理層信息庫，進(jìn)行統(tǒng)一管理?；诠潭ú蛔冾惞芾韺有畔欤治鰳I(yè)務(wù)人員的管理需求，配置滿足管理需求的個(gè)性化定義管理層。固定不變類管理層統(tǒng)一了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹組織形式，降低了業(yè)務(wù)人員的學(xué)習(xí)成本和開發(fā)運(yùn)維人員的開發(fā)維護(hù)成本。

此外，每個(gè)業(yè)務(wù)人員可以基于管理層信息庫，根據(jù)工作需求定義一個(gè)或多個(gè)工作視圖，實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)模塊的個(gè)性化管理。個(gè)人定制的管理視圖，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹組織的個(gè)性化需求，提高了工作效率。

3.3 三維模型定制化轉(zhuǎn)換

設(shè)計(jì)模塊包含的設(shè)計(jì)模型分為CAD原模型和輕量化模型兩類。CAD原模型是通過MCAD、ECAD等設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)的模型，包含完整的模型設(shè)計(jì)過程信息，占用存儲(chǔ)空間大。輕量化模型是對CAD原模型簡化后得到的模型，保留了設(shè)計(jì)模型的空間幾何信息。

不同工程應(yīng)用場景對模型的要求不同，在數(shù)字化制造過程中的工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)需要基于CAD原模型進(jìn)行，因此要將CAD原模型發(fā)送到制造單位，支撐數(shù)字化制造。在進(jìn)行全機(jī)總體協(xié)調(diào)、干涉檢查和培訓(xùn)演示等工作時(shí)，不關(guān)注CAD原模型的建模過程，同時(shí)考慮到計(jì)算、渲染效率等因素通常采用占用存儲(chǔ)空間小、使用更方便的輕量化模型。

為滿足不同使用場景對輕量化模型格式、精度的需求，提供多種輕量化格式，例如3DXML、SMGXML、CGR和STEP等，提供按精度進(jìn)行模型輕量化處理的能力，實(shí)現(xiàn)不同用戶個(gè)性化定制三維模型輕量化轉(zhuǎn)換需求。

3.4 數(shù)字樣機(jī)快速配置

建立飛機(jī)單一數(shù)據(jù)源是數(shù)字樣機(jī)快速配置的基礎(chǔ)，需要構(gòu)建統(tǒng)一的管理層信息庫和設(shè)計(jì)層信息庫。管理層信息庫記錄固定不變類和個(gè)性化定義類的管理視圖，設(shè)計(jì)層信息庫記錄CAD模型、輕量化模型。

管理信息庫和設(shè)計(jì)信息庫構(gòu)建完成后，需要構(gòu)建管理層與設(shè)計(jì)層的關(guān)系，形成完整的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。管理層與設(shè)計(jì)層關(guān)系構(gòu)建過程分為兩類：固定不變類管理層與設(shè)計(jì)層關(guān)系構(gòu)建、個(gè)性化定義類管理層與設(shè)計(jì)層關(guān)系構(gòu)建。管理層中的固定不變類基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，是相對穩(wěn)定的，在創(chuàng)建設(shè)計(jì)模塊時(shí)即可確定與固定不變類管理層的關(guān)系。個(gè)性化定義類根據(jù)業(yè)務(wù)開展的時(shí)機(jī)不同，管理層與設(shè)計(jì)層關(guān)系構(gòu)建時(shí)機(jī)是不確定的，因此要實(shí)現(xiàn)管理層與設(shè)計(jì)層關(guān)系在不同研制階段的創(chuàng)建與維護(hù)。

在飛機(jī)研制過程中，設(shè)計(jì)模塊會(huì)因客戶需求變更、產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷、制造工藝或技術(shù)升級等原因發(fā)生更改，設(shè)計(jì)模塊更改后，要將與被更改設(shè)計(jì)模塊關(guān)聯(lián)的所有關(guān)系進(jìn)行更新，以確保數(shù)字樣機(jī)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

基于統(tǒng)一的管理層信息庫和設(shè)計(jì)層信息庫，使得快速實(shí)現(xiàn)不同部門業(yè)務(wù)人員從不同視角和業(yè)務(wù)對數(shù)字樣機(jī)的需求變得清晰、簡潔。不同部門業(yè)務(wù)人員從不同視角和業(yè)務(wù)對數(shù)字樣機(jī)的需求，可以分解為對應(yīng)于不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹分支的過濾條件。通過查詢每個(gè)過濾條件與設(shè)計(jì)模塊的關(guān)聯(lián)關(guān)系，獲取每個(gè)過濾條件對應(yīng)的設(shè)計(jì)模塊集，計(jì)算多個(gè)過濾條件對應(yīng)設(shè)計(jì)模塊集的交集，最終得到一組過濾條件對應(yīng)的設(shè)計(jì)模型集，從而實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)需求對應(yīng)數(shù)字樣機(jī)的快速獲取。

4 數(shù)字樣機(jī)應(yīng)用

數(shù)字樣機(jī)是產(chǎn)品的數(shù)字化定義，是企業(yè)的重要工程數(shù)據(jù)，包含了產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售等環(huán)節(jié)所需的產(chǎn)品信息，產(chǎn)品壽命周期中的每個(gè)階段都可以從定義的模型中提取出所需要的信息進(jìn)行協(xié)同工作，以支撐飛機(jī)設(shè)計(jì)協(xié)同、樣機(jī)審查、培訓(xùn)、服務(wù)保障等業(yè)務(wù)活動(dòng)。

本單位根據(jù)型號研制業(yè)務(wù)需求，構(gòu)建了大型飛機(jī)可配置數(shù)字樣機(jī)管理平臺，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段按型號譜系、型號研制階段、樣機(jī)類型和飛機(jī)架次有效性等維度對數(shù)字樣機(jī)的管理，提供了不同應(yīng)用場景中根據(jù)多個(gè)過濾條件快速獲取輕量化模型和CAD設(shè)計(jì)模型的平臺。平臺運(yùn)行頁面如圖2所示。

圖2 數(shù)字樣機(jī)管理平臺運(yùn)行頁面

數(shù)字樣機(jī)管理平臺為飛機(jī)數(shù)字樣機(jī)審查提供了數(shù)據(jù)源，數(shù)字樣機(jī)審查是數(shù)字樣機(jī)應(yīng)用的典型案例，對全機(jī)數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行不同層級的干涉檢查、間隙檢查、運(yùn)動(dòng)分析、拆裝分析和維修性檢查等，在數(shù)字化環(huán)境中提前發(fā)現(xiàn)樣機(jī)中的問題，以減少問題在后續(xù)飛機(jī)研制中帶來的影響。

數(shù)字樣機(jī)審查涉及飛機(jī)的各個(gè)區(qū)域、系統(tǒng)，按照審查范圍不同可以分為全機(jī)審查、部段審查和區(qū)域?qū)彶榈?。審查時(shí)需要根據(jù)審查需求確定審查范圍，并獲取審查范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)模塊。根據(jù)審查范圍獲取設(shè)計(jì)模塊的過程可以轉(zhuǎn)換為根據(jù)配置條件從多個(gè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中動(dòng)態(tài)過濾設(shè)計(jì)模塊的過程。例如需要對飛機(jī)航電系統(tǒng)在機(jī)頭區(qū)域設(shè)備的干涉檢查，過濾條件為系統(tǒng)樣機(jī)樹中的航電系統(tǒng)分支和結(jié)構(gòu)樣機(jī)樹中的機(jī)頭分支，過濾過程為在系統(tǒng)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)樹中獲取所有航電系統(tǒng)分支下的設(shè)計(jì)模塊集與在結(jié)構(gòu)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)樹中獲取所有機(jī)頭分支下的設(shè)計(jì)模塊集的交集。

基于數(shù)字樣機(jī)管理平臺，構(gòu)建了包含審查內(nèi)容規(guī)劃、審查對象定義、審查過程分析、審查結(jié)果管理、審查問題歸零和審查信息簽審的數(shù)字樣機(jī)審查管理體系。

5 結(jié)論

本文通過研究產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的分層管理、多視圖管理、數(shù)字樣機(jī)快速配置技術(shù)，提出了一種可配置數(shù)字樣機(jī)管理模式，降低了管理層與設(shè)計(jì)層的耦合度，簡化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的管理模型，提高了構(gòu)建多種數(shù)字樣機(jī)的靈活性，為多種數(shù)字樣機(jī)獲取提供了豐富的過濾條件，滿足了不同部門業(yè)務(wù)人員在不同階段的多樣化數(shù)字樣機(jī)需求?？膳渲脭?shù)字樣機(jī)管理模式，為滿足飛機(jī)研制過程中不同的數(shù)字樣機(jī)應(yīng)用需求提供了擴(kuò)展性強(qiáng)、靈活度高的解決方案，對在其他工程領(lǐng)域的應(yīng)用也有一定的借鑒意義。