航天復合材料產品設計與工藝一體化研制模式

◎中國運載火箭技術研究院研究發展中心 鄧云飛 顧春輝 李永俊 曾亮 張曉帆

航天復合材料產品設計與工藝一體化研制模式

◎中國運載火箭技術研究院研究發展中心 鄧云飛 顧春輝 李永俊 曾亮 張曉帆

航天產品輕質化、小型化、功能化、高可靠性要求的發展趨勢，對復合材料產品研制過程中的新技術、新工藝進行研究顯得非常重要。近年來，隨著計算機和精益管理技術的飛速發展，越來越多的企業將數字化設計與集成產品開發模式運用到復合材料的設計中，如波音公司在787項目中將復合材料設計工藝數字化集成技術應用到設計、制造整個過程，效果非常顯著；空客集團的A350、龐巴迪公司C系列飛機均大量應用復合材料數字化產品設計工藝集成研制技術，大幅度提高了研制效率。這些案例表明，借鑒國外已有先進經驗，研究航天復合材料產品數字化集成技術并進行探索應用，對構建復合材料全數字化生產線、實現航天器復合材料結構高效高質研制具有重要意義。

一、傳統復合材料產品結構設計流程及存在的問題

在航天傳統型號復合材料結構設計模式中，設計人員完成接口及尺寸設計，工藝人員完成鋪層和工藝設計，工藝人員實際上承擔了部分設計工作，如圖1所示。

設計人員將三維設計數據結合二維技術文檔下發至工藝，工藝人員完成鋪層設計、成型工藝仿真分析及工藝作業指導書編制等工作，制造執行階段主要依靠二維圖樣并結合三維幾何外形數據輔助工藝理解，整個流程呈典型的單一鏈路模式，并且需要投放模裝件進行接口及工藝協調驗證。

傳統研制模式下，產品研制鏈路單一、設計與工藝割裂，形成數據信息應用“孤島”，不能實現設計與工藝資源的深度整合，導致兩者協調效率低、設計過程不能完全受控，無法勝任復雜產品構型管理，并且在制造過程中以二維圖樣為主、三維數據為輔，達不到大幅縮短研制周期的要求。

二、一體化研制模式的總體思路

針對傳統設計模式的缺陷，課題組提出的設計與工藝并行協同研制模式的總體技術體系如圖2所示。

在基礎資源層構建以規范體系為基礎的手冊模板庫和模型庫，通過試驗、仿真分析及工程應用經驗建立完善的復合材料鋪層構型庫；在關鍵技術層將一體化設計技術固化，構建以復合材料結構設計規范體系、工藝規范體系為核心的知識資源體系；平臺層以全三維在線協同設計平臺應用體系為基礎，在設計流程體系中集成復合材料結構設計工具和資源，制定基于模型定義（MBD）的復合材料設計、工藝設計規范體系；在流程層，從方案論證到產品圖樣下廠、制造執行，依據研制進程決定工藝人員不同程度的介入，詳細設計階段依據產品成熟度預發放規則實現設計與工藝并行協同，以三維模型為核心數據實現設計與工藝應用數據傳遞，完善復合材料結構設計流程、并行協同數據預發放流程、數據狀態控制流程及方法等流程體系的制定和優化。

三、一體化研制模式的主要內容

圖1 傳統復合材料結構產品研制流程

復合材料設計工藝研制包括資源庫應用技術、協同設計文件及規范體系建設、MBD設計方法、集成產品開發（IPD）管理模式等方面的研究內容，其中最為核心的內容為MBD的產品定義技術方法和基于IPD的復合材料管理模式。

1．協同設計文件及規范體系建設

為了保證整個設計流程的規范性，課題組初步建立全三維數字化設計的規范體系，覆蓋了協同設計數據管理、標準件庫管理、環境配置、通用建模方法等信息，包括設計標準、設計模板、材料規范、設計指南手冊、集成產品開發團隊（IPT）管理手冊五大類，對全體研制人員主要作業流程進行全過程規范性操作約定，確保所有產品三維數模建模過程的標準化和精細化，具有高度可換性和參數化驅動特征，解決了傳統模式下設計模型在全生命過程中由于設計人員更換導致后期更新更改困難，甚至需要模型重建的難題。

在此基礎上進一步從設計全流程范圍著手編制三維模型標注規范：幾何定義要求、復合材料結構零件建模規范、復合材料結構詳細設計指導手冊、零件設計技術要求模板、MBD裝配設計規范等20余項標準規范及指導手冊，進一步確保設計質量，提升設計效率。

2．基礎資源庫應用技術

隨著技術的發展，未來先進飛行器將全面采用全三維設計技術，結構、機構、儀器、電纜、管路安裝設計工作量極大，需要調用大量的材料、設備成品件、電接插件、安裝支座、緊固件等基礎資源。基礎資源庫的建設作為提高設計效率的重要手段，可將重復建模、重復建材料的工作降低為零，極大地提高資源的共享及其使用效率。在三維CAD協同設計環境中，課題組梳理規劃了材料庫、緊固件庫、儀器設備成品件庫、電連接器庫、卡箍卡帶庫、安裝支座庫共六大類基礎資源庫；利用基礎數模、驅動尺寸和參數表，實現了多系列、多規格快速建模，并向協同設計環境中的所有用戶發布；有權限的用戶可以檢索、調用模型開展結構機構設計；資源庫中的模型發生變化時，可以自動更新到所有調用設計模型中。

圖2 復合材料結構設計與工藝一體化研制模式總體方案

3．復合材料MBD產品定義技術方法

MBD將設計、制造信息高度集成，是目前制造業普遍認同的前沿數字化制造解決方案。MBD的核心思想是將設計、工藝、管理信息集成到模型中進行統一管理，以三維模型為唯一數據源進行設計制造傳遞，以數字化制造、檢測設備進行幾何保證，用“數字化幾何”取代二維圖理念中的“尺寸幾何”概念。

近10年來，MBD在波音777產品研制中取得了巨大的成功，實現了全過程無紙化，進而推廣到世界其它先進飛行器研制過程中，國內商飛C919飛機正在進行研究應用。航天企業在三維模型設計過程中也取得了相當的進步，但部分單位沒有完全理解MBD的內涵，部分工程技術人員至今仍然糾結于“三維模型標注哪些尺寸”的問題，卻不理解波音飛機三維零件數模基本不標尺寸的原因，以至于只是按照傳統思路將二維圖的信息照搬到三維模型中去。三維標注工作量異常繁重，將三維模型成為“電子圖紙”，導致在實際產品制造過程中出現許多不一致、不協調問題，后期更改維護工作量巨大，未能發揮MBD應有的作用。

出現這種現象的主要原因是設計人員沒有從模擬量的思維轉換到數字化的軌道上來，因為長期的二維圖設計使得“尺寸”的印記根深蒂固，殊不知尺寸是檢驗人員在模線樣板制造時代量取兩點之間相對長度作為參照這個實踐起源。而在MBD數字化研制理念中，構造幾何的點、線、面類似于數學中的“方程式”，某個零件的外表面，MBD思想可認為是基于骨架模型建立的坐標系下一個帶有復雜位置關系的數學方程，這個方程在設計人員的計算機中，也在制造人員的數字機床中，并同時出現在檢驗人員的激光測量設備中，而不是與某個模具貼合的孤立曲面。

MBD數據定義是復合材料結構設計與工藝一體化研制模式實現的基礎，需提出合理可行的數據定義方案，一方面減少設計工作量，另一方面提高設計信息可理解性，同時還能夠適應當前的基礎設施條件。

圖3 完整的零件MBD 數據集定義示意

復合材料結構零件數據定義包括零件屬性、零件注釋、零件幾何、鋪層等信息，圖3為完整的零件MBD數據集定義，對于先進碳纖維樹脂基復合材料結構沒有合金代碼、最終熱處理等項。

設計完成性能數據定義后，工藝人員依據設計信息在MBD模型基礎上完成鋪層料片數據定義并同時進行工藝仿真分析，直至獲得鋪層工藝性良好的料片劃分方案，然后進行成型精度仿真分析，用以指導模具工裝設計及成型工藝作業指導書編制。

4．基于IPD的復合材料管理模式

在復合材料結構產品研制過程中采用IPD模式有利于整合不同單位的優勢資源，將各種不協調問題集中暴露和解決，是當前世界制造業的精益管理解決方案。相對于傳統模式，在詳細設計及資源設計階段或環節，IPD模式通過合理評估使設計與工藝流程重疊，即并行協同研制。在三維圖樣正式發放前，工藝人員便依據三維模型進行工藝設計。審圖工作隨三維模型不斷完善且被分散或弱化到最后全三維MBD圖樣發放階段，經電子化流程確認即可。三維MBD模型成為設計與工藝協同的“語言”，簡化了整個設計及產品發放流程。

復合材料結構設計與工藝一體化研制模式總體流程體系如圖4所示。

設計依據總體輸入完成產品性能設計及優化，其中性能設計主要包括零件構型（幾何）及接口定義，性能優化主要包括組件布局及零件截面尺寸、構型、鋪層等優化。方案設計階段，工藝人員介入評估工藝可行性論證并進行工藝改進潛力分析，以利于后續設計及工藝方案持續改進。方案初步凍結后開展詳細設計，設計完成MBD模型初步定義，包括全部的鋪層信息、材料信息、基準及尺寸信息、技術要求等，進行成熟度評估，由設計部門發放用于工藝設計的三維模型，工藝人員依據MBD模型同步開展工藝及其仿真，并向設計人員反饋相關信息，最終設計完成通過一系列設計人員審簽的產品定義并發放。制造執行階段，在數字化設備支持下依據工藝人員生成的鋪層數據完成鋪層及產品成型。

航天器復合材料的廣泛運用是技術發展的必然趨勢，研究數字化設計技術在航天器研制過程中的關鍵技術并進行實踐總結，可以為推動航天器復合材料技術跨越提供重要支撐。復合材料設計工藝集成研制將成為今后我國航天企業技術的主要發展方向。▲

圖4 復合材料結構設計與工藝一體化研制總體流程