飛機數字化研制基本體系及建設進展

對于飛機這類復雜軍工產品的研制，要實現縮短研制周期、降低研制成本、提高產品質量的目的，就必須建立全新的飛機數字化研制體系，并充分發揮其作用。在上級國家機關的正確領導下，中國航空工業集團公司非常重視飛機數字化研制基本體系建設工作，專門成立了總師系統負責規劃和協調集團公司各承研單位的飛機數字化研制基本體系建設技術工作，取得了階段性成果。本文簡要介紹了飛機數字化研制基本體系概念和組成要素及飛機總體單位（主機廠、所）在飛機數字化研制基本體系建設方面的主要進展，主要有：“一個平臺，七個中心”建設模式；突破了九項重大關鍵技術；實現了方式、方法和手段等方面的七大變革。

西方發達國家在飛機研制過程中率先全面應用了數字化技術，取得了縮短飛機研制周期，提高研制質量，降低研制成本的顯著成效。波音777是全球第一個采用全數字化定義的飛機，波音737-700飛機實現了研制過程的數字化管理和控制，2002年首飛成功的美國第四代戰斗機F-35，在數字化管理和控制的基礎上，采用了優勢企業（中心）聯合的研制模式。西方發達國家在飛機數字化研制道路上走過了“產品數字化定義”、“過程管理數字化”、“優勢企業中心聯合”三個主要發展歷程，形成了比較完善的全新的飛機數字化研制體系，從根本上改變了飛機制造業傳統的設計和制造模式，并取得了顯著的應用效果。（見圖1和表1），數字化技術及其應用已日益成熟，代表了飛機制造業的發展方向。

在上級機關的領導和支持下，中國航空工業通過實施飛機制造業數字化工程，以打通數字化生產線為主線，以并行產品數字化定義為核心，打通了飛機/直升機數字化設計制造主流程，從根本上變革了飛機設計、試驗、制造和管理的模式、流程、方式、方法和手段，形成了數字化生產方式，初步建立了飛機數字化研制基本體系，大幅度地縮短了飛機型號研制周期，降低了生產成本，提高了產品質量。

飛機數字化研制基本體系

體系是由若干個相互關聯、密不可分的要素組成的一個整體。飛機數字化研制基本體系由數字化設計等九大要素組成，各要素在飛機研制過程中的位置、作用及關聯關系見圖2。

數字化設計、試驗仿真、制造、管理構成了飛機數字化研制體系的主線，而基礎數據庫、飛機設計/制造標準規范和政策法規構成了飛機數字化研制體系的基礎；中間的數字化支撐環境和軟件系統將各類要素聯系在一起，集成各類應用系統和網絡，為飛機數字化研制提供支持協同設計制造的協同工作平臺，實現飛機數字化研制的信息溝通、單源數據管理和并行過程控制。

通過構建飛機數字化研制基本體系，中航工業主機廠、所形成了“一個平臺，七個中心”的數字化建設成果，全面支撐了數字化設計、制造主流程和仿真試驗輔流程等全新的飛機數字化并行協同研制模式。見圖3所示。

一個平臺

較大規模的廠、所數字化協同平臺。廠、所數字化協同平臺是以產品設計、工藝設計、產品數據管理、物流管理系統為核心，是航空企業從事產品設計、工藝設計、工裝設計與制造、生產管理等各類數字化研制業務的協同工作環境和信息集成、發布平臺。是數字化設計管理的基礎設施，它通過建立強壯的網絡連接和提供完善的網絡服務，整合企業內外的各種信息資源，保證設計、制造、管理信息流的通暢流動，實現產品設計制造的數據集成、功能集成和過程集成，形成支持跨廠所的產品設計制造協同工作環境，是飛機數字化研制體系的重要組成部分。

平臺主要由三維設計軟件、產品數據管理軟件，工作站、服務器，連接廠所千兆網絡等組成?？晒┤w飛機數字化設計制造人員同時按并行協同的方式，完成全機產品數字化定義和制造生產數據的有效組織和傳遞。見圖4所示。

七個中心：

功能/性能仿真中心，是基于功能/性能數字樣機，通過數字化仿真試驗手段，在產品設計階段早期就替代、減少和簡化部分物理試驗（實物、半實物試驗），通過仿真迭代使產品的功能和性能逼近設計指標，逐步走向成熟。

數字樣機裝配、仿真中心，用以部分取代實物樣機設計協調。確保裝配設計數字樣機評審結果的真實有效。通過虛擬拆裝、人機工效等先進的三維仿真手段對裝配過程進行預演，檢驗產品的可裝配性、可維護性和工藝性。使得在型號研制中采用全新的三維數字化手段和逼真的立體圖像進行設計裝配和協調，替代了過去飛機研制采用的木質或金屬實物樣機。為詳細設計、發出飛機生產圖樣打下基礎，見圖5所示。

工藝仿真中心，主要通過虛擬制造環境，集中開展主要專業制造過程（如裝配、機加、鈑金、復材、焊接等）的模擬仿真，對產品制造過程中的技術關鍵進行分析和預測，提前發現可能存在的工藝問題并優化工藝設計，使工藝方案更科學、合理。如圖6所示。

產品數據管理中心和制造數據管理中心（型號數據中心），由產品數據管理系統和支撐的服務器硬件組成，并通過二次開發和系統集成，將設計數據、分析數據、工藝數據、工裝數據以及各類基礎數據庫等按不同需求物理異地存放，邏輯統一管理，支撐并行協同研制過程，解決型號研制過程對產品數據共享和流程控制的需求，實現單一產品數據源。

物料配送中心，按照數字化的生產組織管理方式要求，對生產物料進行集中管理和配送供應，按照生產作業計劃組織進行工裝工具、毛料、零件和標準件的即時配送管理，實現主要生產過程的流程并行。不僅保證按計劃進行生產，同時能夠實現對物料的統一倉儲規劃、實現系統化作業管理和規范化庫存管理生產管控中心，負責生產計劃指定和設備有限能力的平衡，實現按照架次交付計劃進行生產計劃的優化排序，實現生產計劃編制、下達、跟蹤和反饋全過程的動態管理和控制。從而促使飛機制造企業由傳統的按完成項目百分比考核進度、手工對賬方式統計缺件等粗放的管理方式，向準確、具體、信息反饋及時的生產計劃與管理模式轉變。

在飛機數字化研制基本體系建設過程中，突破了九項重大關鍵技術：

1） 飛機數字化研制模式及并行協同流程關聯技術；

2） 成熟度控制下的并行產品數字化定義技術；

3） 用于并行產品數字化定義的組織模式和管理技術；

4） 數字樣機與虛擬現實融合技術；

5） 面向制造的全機產品數字化定義技術；

6） 跨廠所并行協同工作平臺和產品數據單源管理技術；

7） 飛機總體方案多專業關聯設計技術；

8） 統一模型關聯和參數化模塊化快速設計集成技術；

9） 基于模型定義的全三維設計制造技術（MBD技術）

結合型號研制應用，初步實現了方式、方法和手段的七大變革，顯著縮短了新機研制周期、提高了生產效率和質量、降低了成本。

1）并行產品數字化定義取代了傳統設計/制造串行；

2） 數字樣機取代了實物樣機設計協調；

3） 開展了部分飛機系統的數字試驗仿真，簡化或減少部分物理試驗，加速產品設計迭代過程；

4） 數字量協調傳遞為主的制造技術體系取代標準樣件-模線樣板工作法，取消大量模擬量工裝；

5） 打通了機加、鈑金、焊接、直升機裝配等部分數字化生產線，實現數字化制造取代模擬量制造；

6） 部分工藝數字模擬和仿真試驗取代工藝試切和試驗；

7）傳統的粗放管理流程向精細、科學管理變革，流程和組織再造，實現統一的物料配送和生產管控。

飛機數字化研制基本體系建設和重點型號飛機工程應用的實踐表明，在型號的研制過程中采用數字化技術的成效十分顯著，可以說數字化體系給飛機制造業帶來了新的活力。構建并應用飛機數字化研制體系可以拓展數字化技術的應用深度和廣度，進而顯著提升航空工業的型號研制能力。