飛機構型管理與重量控制技術研究

張西濤

(海裝西安局，陜西西安 710000)

0 引言

飛機研制各階段構型的正確性是產品信息正確反映的前提。市場環境、客戶需求，設計模式、材料和工藝的改進以及生產條件的不斷變化，使飛機構型在研制過程中處于不斷變化的動態過程，加之飛機產品零組件數量巨大，更改頻繁，飛機的構型控制變得極其繁瑣、復雜，而每一次構型的變化都直接影響著產品重量的變化，產品重量的變化又直接影響飛機的經濟性、飛機性能和飛行品質［1］，［2］。因此，有效的構型管理是保證飛機產品正確設計的必要手段，更是保證飛機產品重量準確性的重要依據。本文在研究構型管理、重量控制的基礎上，為滿足飛機產品重量數據的完整性和一致性要求，針對飛機全生命周期實施構型管理和重量控制的綜合技術進行研究和探討。

1 飛機構型管理與重量控制

飛機構型管理是面向產品全生命周期的，以產品結構(BOM)為組織方式，集成和協調與產品構造過程相關的一切活動和產品數據。從飛機的整個生命周期來說，構型管理過程有面向客戶的構型配置，面向工程的EBOM，面向制造階段的MBOM以及面向維護的SBOM，都是飛機構型管理的重要組成部分。構型管理保證產品生命周期各階段零件、文檔和更改數據的一致性和可控性，提供產品構型的可視化定義和控制的產品數據管理技術［3］。該技術對所有體現產品性能、功能和物理特性的全部類型數據，通過產品結構關聯進行有效管理和控制。

產品在研發制造過程中存在許多不確定的因素，即使在產品的定義確定之后，狀態也會不斷地產生很多變化，任何一個產品都不可避免地因實際需要而發生各種更改。更改是導致飛機構型發生變化的重要因素，在構型生成過程中為控制構型項并將各個環節的更改數據體現到最終的產品構型數據當中，必須進行可控的更改建議、評定、協調、審批和實施等一系列活動，構型更改控制是進行構型管理的重點和難點。構型控制程序見圖1。

圖1 構型控制程序

飛機產品構型控制要求進行全程監控，即對飛機產品的全部數據，包括產品結構信息、幾何信息、重量及重量分布信息、工藝信息、分析結果、技術說明和檢測結果進行管理與控制。其中，產品的重量及重量分布信息是保證產品研制的重要原始數據，它不僅直接影響飛機的飛行性能和飛行品質，而且同飛機產品的各零部件構型變化緊密相關［4］。產品的重量特性(重量、重心、轉動慣量)管理與控制工作在構型控制中屬于Ⅰ類構型更改，是構型的重要控制內容之一。

飛機重量(特性)控制工作貫穿于飛機設計和研制的全過程，是實現飛機重量目標的保障手段［5］。重量管理與控制主要包含兩個方面:一方面就是在設計環節，由于設計技術方案變更及使用標準選取不同會引起設計重量存在差異，需要對影響重量不斷變化的設計信息進行有效管理;另一方面，在研制、使用環節，由于研制技術水平差異和產品構型選擇不同會導致實際重量存在偏差，需要對導致重量不利趨勢的研制、使用方案進行有效控制。通過有效的重量控制，從頂層上把握并建立飛機整體重量庫，管理繁多的全機有效重量信息，控制，檢查和調整指標要求與實際設計的重量偏差，滿足多層次的重量管理信息需求，確保在各個階段能夠獲得重量數據的唯一性、可控性、有效性和可追溯性。重量(特性)控制程序見圖2。

2 重量控制工作現狀

目前，由于普遍缺少構型管理與重量控制集成技術手段，重量管理與控制工作基本靠手工完成，效率低下;本來是環環相扣的幾個環節卻相互割裂，阻礙了重量數據的傳遞;同時，重量數據也缺乏統一的規劃和管理。所有這些都極大地影響了重量管理與控制的質量和效率。典型的如:設計/制造重量數據的匯總、統計等工作完全依靠專業設計人員/生產檢驗人員手工填寫，完成重量數據庫(EXCEL表)/稱重記錄表(質表)內容，重量管理人員依據匯總數據統計，分析全機重量重心，再根據不利趨勢和超差情況制定減重或調整措施;重量專業以重量簡報的形式向上級總師系統匯報某一階段的增/減重情況，由于數據量大，數據的收集整理都采用最原始的手動錄入方式，后續還要經過數據格式整理，數據真實性分析，耗時費力。

理論數據和稱重數據的匯總、統計、分析和使用困難，不僅牽扯了重量管理人員、設計和檢驗人員大量的時間和精力，更不能及時反映當前節點狀態下飛機重量的實際情況。計算與稱重數據難以在設計、工藝、制造、管理等部門之間共享;相關的數據也沒有關聯在一起，數據的利用率低下，許多有價值的數據沒有挖掘出來。更為嚴重的是，重量數據缺乏與之相配的安全管理機制，造成重量數據在采集、存儲、備份、應用等諸多環節上都存在嚴重的安全隱患，無法滿足重量數據與真實產品之間的一致性、完整性。重量特性偏離發現得越晚，調整手段就會因為研制方案趨于定型而越發有限，甚至還會導致設計返工、周期拖延和成本增加等一系列問題，對飛機的研制工作產生不可估量的負面影響。

圖2 飛機重量控制程序

3 構型管理與重量控制的綜合技術

隨著數字化應用技術的發展，產品數據管理(PDM)技術成為整個產品生命周期的支撐平臺，在此平臺上可以實現對所有體現產品性能、功能和物理特性的全部類型數據，包括CATIA設計數模、系統設計數據、工藝/工裝/檢驗數據等的管理和產品結構關聯，從而可以進行構型管理。而在構型管理單元的產品數據基礎上，結合構型控制政策和程序，建立構型管理與重量數據管理系統接口，通過數字化手段完成各部分工作數據的相互協同與相互關聯，提高產品數據的利用率，從而逐步實現飛機型號研制過程中的重量數據從方案設計到制造稱重的歸口管理，降低研制過程中重量數據管理、傳遞的錯誤率，保證重量數據的正確性和完整性［6］。

針對飛機重量控制工作的特點，利用數字化網絡作為重量管理與控制系統的網絡環境，通過與構型管理系統的綜合應用技術，完成重量實時監控的主要工作。該綜合技術主要應用體現:

1)設計重量并行分析

通過與構型管理系統中的產品數據管理緊密集成和功能開發，在產品設計時自動進行BOM的重構，實現了EBOM向重量BOM的轉換，將零組件三維數模以及成品等的重量特性數據自動提取到重量數據管理系統中，并隨三維模型變化相應更改。獲得零組部件重量特性后，就可以匯總計算任意組件、部件或飛機的重量、重心、轉動慣量。架構于PDM系統簡化了設計重量特性的提取過程，可快捷獲取全機的最新、特定構型的重量特性設計信息，重量變化項目的更改結果數據和設計更改之間的關聯關系，實現對飛機的重量設計數據和設計更改信息的實時獲取，為快速分析重量重心，剖析重量更改原因，及時制定減重措施，提供有效、可靠的理論數據。利用PDM平臺管理飛機重量特性的流程如圖3所示。

圖3 設計階段監控流程

產品EBOM等相關重量特性信息見圖4。關鍵技術:

①產品結構樹自動導入技術;

②重量相關屬性映射技術。

通過系統開發，將產品中的BOM和重量屬性緊密集成，能夠方便靈活地從構型管理系統中讀取研制過程中迭代頻繁的可配置產品結構樹及重量相關信息(包括圖號、名稱，設計重量、重心、自身轉動慣量)，形成最終供重量系統調用的BOM。

2)制造重量實時獲取

通過構型管理更改控制流程規范定義，建立超差/偏離、BOM產品結構和實際重量的關聯關系，實現稱重項目歸口管理。獲得零組部件重量特性后，就可以匯總計算任意組件、部件或飛機的重量、重心、轉動慣量;通過系統提交所發現的重量超差問題，由設計人員負責問題的處理和回復。利用PDM平臺管理飛機重量特性的流程如圖5所示。

圖4 產品EBOM等相關重量特性信息

圖5 制造階段監控流程

架構于構型管理控制系統規范了制造重量特性的控制過程，使用戶能夠方便地基于產品結構追溯到某一架次飛機中的某特定零組件在加工裝配過程中發生了什么樣的超差/偏離等信息。為快速分析重量超差原因和及時制定減重措施提供有效、可靠的實際數據。有效管理多架次的最新、特定構型的稱重數據。實現對飛機的重量制造數據的實時控制，及時準確地預測各種實際增重現象，為對增重較嚴重零組部件、加工方式采取措施減輕重量提供依據。

3)統一的信息化管理

通過產品數據的統一管理，產品結構樹的自動建立，內部數據傳遞和權限設置，提高重量管理工作的研制信息集成以及重量數據的一致性和安全性，實現重量變化記錄和減重信息的共享利用。這些管理特點使在飛機設計、制造過程中，因用戶需求、設計要求或工藝保障等各種因素的影響而導致的已經正式批準的飛機構型的改變，進而影響到的產品重量發生的相應更改，尤其是對重量大的項目更改，均在受控的狀態下進行。信息化管理部署方式見圖6。

圖6 信息化管理部署方式

通過構型與重量的綜合管理與控制，可以實現構型管理對全機零部件按整體處理并提出對零部件研制的協調要求。零部件重量控制根據提出的協調要求，建立自己的重量BOM，并且提出相應方法來檢查BOM的數據的一致性。變更的自動傳遞、實施中能夠接入到產品構型平臺中獲取研制相關的技術要求和產品定義等信息，并反饋項目狀態、重量問題，跟蹤重量問題處理狀況，提交數據歸檔管理等。重量數據文件及相關技術資料用網絡數據庫方式統一管理起來，提高資源安全性和利用率。

4 結論

構型管理和重量控制工作的重點是協調和記錄各個階段和過程的數據，把產品的相關數據與產品結構建立起合理聯系，確保對飛機產品數據的控制。

構型管理與重量控制工作貫穿飛機產品研制的全生命周期。構型管理政策及程序是重量控制工作的指導方針，重量控制工作是構型管理工作的有效實施和監控。架構于構型管理的重量控制技術，具備實時跟蹤、記錄、計算和分析重量特性的功能，將原先的結果式管理逐漸過渡到過程化管理。因此從理論上講，可以隨時獲知飛機在任意時刻的重量特性，為總師系統/重量控制機構/相關專業做出控制決策提供最及時的信息，使得實時監控重量特性成為可能，

極大地提高重量管理與控制的工作效率。

［1］范麗華，伍劍剛，劉永紅.飛機構型管理研究與應用［J］.洪都科技，2008，(1).

［2］楊 璽，范玉青.飛機構型控制技術初探［J］.北京航空航天大學學報，2000，26(3).

［3］于 勇，盧 鵠，范玉青，等.飛機構型控制技術研究與應用［J］.航空制造技術，2009，(23).

［4］王 哲.飛機結構設計過程中重量控制［J］.飛機設計，2001，(1).

［5］楊蘇敏.淺談民用飛機的重量控制管理［J］.科技創新導報，2012，(2).

［6］匡愛民.民用飛機重量控制方法研究［J］.民用飛機設計與研究，2012，(z1).