直升機質量特性數據設計與管理系統開發

宋長紅，黃 利，呂春雷

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

直升機質量特性數據設計與管理系統開發

宋長紅，黃 利，呂春雷

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

以產品結構為核心，通過重量重心自動抽取模塊以及重量重心、轉動慣量計算模塊的開發，建立了一套快速、有效的直升機質量特性數據設計與管理系統(WDM系統)。通過該系統的建立，直升機重量專業人員可以更容易、更方便、更有效和更安全地管理并使用直升機質量特性數據，不但極大地提高工程技術人員的工作效率，也最大限度地揭示了直升機質量特性的價值，完成直升機質量特性的對比分析工作并且形成經驗積累。在型號研制中的初步應用表明，該系統可顯著提高工作效率。

WDM;重量重心;質量特性;效率

0 引言

直升機各系統的零、組、部件質量特性數據是新研直升機重量設計、重心定位和轉動慣量計算的基礎［1］。由于直升機系統很多，相應的零、組、部件數目的質量特性數據是海量的，而且，直升機研制作為一個系統工程，涉及到的研制單位也非常多，這也造成了質量特性數據收集的困難。

為實現在型號研制各階段快速獲得各系統的零、組、部件質量特性數據，本文以產品結構為核心，通過重量重心自動抽取模塊以及重量重心、轉動慣量計算模塊的開發，建立了一套快速、有效的直升機質量特性數據設計與管理系統(以下簡稱WDM系統)。在同一數據管理體系的支撐下，建立了統一的數據管理模式、傳遞標準和管理體系，加快了數據處理速度，提高了數據利用率，保證了數據的正確性和完整性，從而實現了直升機質量特性數據的數字化、信息化、工程化管理。

1 WDM系統開發總體思路與設計原則

WDM系統開發的總體思路與設計原則包括:

1)統籌規劃，分步實施

應在嚴格遵循有關法律、法規、國家標準和行業標準的基礎上，進行統一的規劃，逐步進行系統的實施。保證系統不但能滿足當前業務的需要，也可為系統的擴展提供統一的信息標準。

2)實用性與先進性的結合

從網絡和系統的整體性出發，選擇先進且成熟的技術、設計和開發思想進行系統的整體和框架設計，滿足當前的需要，并適應未來的技術發展。系統操作簡便、快捷，實用性強。

3)系統的靈活性、可擴展性和開放性

系統的建設應充分考慮到將來業務發展的需要，系統的數據庫、業務功能、數據編碼等都應易于擴充。

系統的設計和開發具有一定的開放性，便于系統的維護、管理和集成。

4)系統的可靠性與安全性

應將系統高可靠性、安全性等放在重要位置，建立一套安全管理機制，確保網絡和系統的穩定性和可靠性、高效性、安全性。

5)系統的兼容性和延續性

必須具備標準的接口，可以和現存系統之間方便地進行數據交換，保證數據的一致性。系統具備嚴格的技術和業務規則、合理的業務流程、先進全面的管理手段。

系統的設計具有較好的延續性，便于將來與數據處理系統的集成。

6)系統的規范性

系統設計和開發每一步都要遵循軟件工程和信息系統建設的有關標準，文檔、編碼和最終產品都以標準方式完成并交付給用戶。

2 WDM系統開發

WDM系統總體設計分為兩大功能模塊，分別是重量重心自動抽取模塊和重量重心、轉動慣量計算模塊。重量重心自動抽取模塊的應用環境是VPM/CATIA集成設計環境，首先在CATIA設計環境中，利用實體的自動計算功能，獲得零件的質量屬性，包括重量、重心、轉動慣量等，把這些質量屬性映射到VPM中，即數據準備階段;然后利用VPM的輸出報表功能，對其進行客戶化，輸出包括產品結構信息的重量、重心等質量特性數據報表，裝配關系通過裝配圖號和圖號描述，導出特定型號或部件節點的質量特性數據，形成Excel文件作為重量重心、轉動慣量計算模塊的數據源。重量重心、轉動慣量計算模塊通過數據導入功能導入該數據，完成基于產品結構樹的數據同步。

重量重心、轉動慣量計算模塊利用導入的空機質量特性數據，完成質量特性對比分析、數據演變分析、材料加工方式統計、材料種類統計、零件分類統計、重心合理性檢查以及空機質量特性計算等功能。進一步結合設計人員準備的型號特征數據、有效載荷數據、油箱耗油數據及耗油規律數據，完成裝載狀態配置、裝載飛機質量特性管理以及配載設置、裝載狀態質量特性計算、耗油曲線生成、土豆包線生成、最優配載方案生成等質量特性管理的具體功能。

WDM系統總體流程圖見圖1，總體功能劃分如圖2。

2．1 重量重心自動抽取模塊

本模塊是用于實現產品數字化定義中特性的過程控制，跟蹤直升機研制過程中質量特性的狀態，從而使最終產品的質量特性能夠符合初始的設計需求，減少設計反復，保證直升機的功能和性能指標。

本模塊可以分為兩個重要工作內容(如圖3所示):一部分是VPM質量特性數據準備，另一部分是質量特性屬性統計報表的輸出。

本模塊與三維建模軟件CATIA V5緊密集成，能夠將零部件三維數模中屬性數據提取到產品數據管理系統中(稱為屬性映射)，并隨三維模型變化相應更改。因此，可以用ENOVIA LCA系統配合CATIA V5一起來完成飛機質量特性動態跟蹤的任務。實現CATIA與LCA設計環境無縫集成，無需對每個實體模型進行打開和更新操作，主要零件、裝配件設計員對模型進行更改，保存后，系統可以實時動態跟蹤每個零、組、部件的設計更改，并自動逐級計算裝配件總的質量特性，提高重量工程設計員的工作效率。

本模塊的業務描述如圖4所示。

本模塊主要包含以下功能:

1)設計零件質量特性數據準備:其數據源頭是CATIA三維模型中存儲的重量、重心和轉動慣量等信息。由于同一個零件可能存在多個使用位置，對于不同的裝配環境，它的質量特性數據是不同的，但是零件在自身坐標系下的質量特性數值，是不會根據零件的裝配位置的改變而改變的，因此可以通過獲取零件在自身坐標系下的質量特性數值，根據最后的裝配位置，經過坐標轉換得到在全機坐標系下的值。

2)其他質量特性數據準備:以成品件為例，成品件的質量特性數據管理方式跟設計零件是一致的，但是由于成品件生產廠家建模時使用的CAD工具各有不同，提供的模型存在各種格式，需要通過模型轉換到CATPart才能給VPM系統使用，此過程將會導致模型失真;且基于技術、商業、知識產權的保護等原因，更多的廠家提供給下游客戶的三維模型僅僅是供裝配使用的外形數模，與模塊需要的實際模型相差甚遠。基于這些原因，這部分零件在自身坐標系下的重量、重心與轉動慣量的值，需由廠家提供，由負責該成品進入VPM系統的操作人員執行數據的錄入。

3)質量特性數據屬性映射:利用現有的CATIA模型計算功能，得出模型的質量特性數據，并通過開發程序實現質量特性數據從CATIA中提取并填入VPM中，即為屬性映射。如前所述，同一個零件可能存在多個使用位置，對于不同的裝配環境，其質量特性數據是不同的;而零件在自身坐標系下的質量特性數值是不會根據零件的裝配位置的改變而改變的，所以本系統提取的是零件自身坐標系下的質量特性數值，并將該部分數值填寫到VPM中零件PV對象上，再通過CATIA_VPM同步屬性映射機制，將數據填寫到VPM系統中。數據提取工作通過CATIA二次開發來實現，在設計員保存數據到VPM中時，將會自動調用CATIA二次開發的數據提取功能，將數據自動填寫到CATIA模型屬性頁面中。這樣，這部分數值就不會因為零件的裝配位置變化而發生變化，當我們需要全機坐標系下的質量特性數值時，通過獲取零件的位置矩陣，經計算可以得出。

4)報表輸出:根據需要在LCA結構樹中選擇待導出的節點，通過右鍵菜單打開數據導出界面，可實現質量特性數據的導出。

2．2 重量重心、轉動慣量計算模塊

重量重心、轉動慣量計算模塊利用從LCA中抽取的空機質量特性數據信息，首先完成空機質量特性計算功能，完成材料種類、加工方法和安裝區域的統計分析以及質量特性的對比分析等功能，結合自定義的有效載荷質量特性信息、裝載飛機質量特性信息、郵箱燃油以及耗油規律信息，進一步完成裝載方案的自由配置、有效載荷質量特性計算、裝載直升機質量特性計算、耗油規律曲線和土豆線的繪制、耗油規律質量特性的計算與管理和油箱燃油質量特性的計算管理等功能。

本模塊的業務描述如圖5所示。

本模塊主要包含以下功能:

1)型號特征數據管理

在統一的、集成化環境中管理所有直升機型號的與質量特性數據有關的主要特征數據。包括重心計算參考坐標系的定義、計算直升機相對重心的平均氣動力弦的定義、旋翼中心坐標和半徑的定義、直升機典型狀態重量以及對型號描述的大量文本信息數據。描述一種直升機型號的質量特性數據是海量的，但是有些數據唯一的，不重復的，在直升機的質量特性管理壽命周期中不會重復出現，也不會經常變化。這些數據屬于質量特性管理過程中的頂層數據，需要在其他功能實現過程中不斷引用。將這些數據定義為型號特征數據。型號特征數據處于直升機質量特性樹狀數據結構的最頂層。型號特征數據專指與直升機質量特性計算與管理直接或間接相關的直升機總體幾何和重量方面的數據。

2)使用空機質量特性數據管理

空機質量特性管理模塊是整個系統的主體部分，本模塊按照產品的裝配結構樹管理所有直升機型號零、組、部件的質量特性(當前重量、狀態重量、重心、轉動慣量和質量分布數據)、材料特性、加工特性、安裝區域特性數據等，具體實現的功能如下:

零組部件當前重量管理，實現不同結構質量特性對比分析功能;

產品裝配結構樹定義與零組件質量特性數據編輯一次性完成;

由基本零件質量特性數據按照產品裝配結構樹逐級依次計算各組合件、部件，直至使用空機的質量特性數據;

使用空機的材料種類、加工方法、安裝區域統計餅狀圖顯示;

同名稱組合件、部件重量對比計算顯示;

選定組合件占設計起飛重量百分數計算顯示;

選定組合件縱向相對重心計算顯示;

Excel格式數據導入、導出功能;

零組件數據記錄可以添加豐富的備注說明;

對零組件重心數據進行可視化檢查和設置，提供重心數據的直觀檢查評估方案;

組合件組成項目的質量特性數據復制、粘貼，應用于產品裝配樹的快速構建;

在組件、或部件、或型號、或整個數據庫系統內部對質量特性條目進行組合式模糊查詢;

對零組件重心數據進行可視化檢查和設置，提供一種重心數據的直觀檢查與評估方案。

3)有效載荷質量特性數據管理

一種有效載荷由多種不同的基本載荷組成，因此，將有效載荷數據劃分為有效載荷名稱數據表和有效載荷組成項目數據表。兩種數據表形成一對多關系。有效載荷質量特性數據表實現以下功能:

根據有效載荷組成項目自動計算各種有效載荷的質量特性;

有效載荷質量特性按型號分類管理，各型號之間數據共享;

有效載荷可以被任意裝載直升機引用，定義裝載直升機狀態;

有效載荷的組成項目可以在任意有效載荷之間被復制、粘貼;

使用空機中組合件的組成項目可以被復制、粘貼到有效載荷;

更改有效載荷名稱時裝載直升機中的有效載荷引用名稱協調同步更改;

更改有效載荷質量特性時引用該有效載荷的裝載直升機質量特性協調同步更改;

有效載荷可以在型號之間復制、移動，而不影響引用有效載荷的裝載直升機質量特性。

4)裝載直升機質量特性管理

裝載直升機質量特性管理實現如下功能:

管理直升機裝載狀態有效載荷配置方案、耗油規律配置方案以及裝載狀態直升機質量特性;

定義裝載直升機有效載荷配置方案，掛點數量、位置不限制;

定義裝載直升機燃油消耗規律;

計算裝載直升機質量特性;

計算并繪制裝載直升機重量、重心隨燃油消耗變化曲線;

裝載直升機裝載和卸載過程中重量、重心變化曲線(土豆線);

配置不同燃油消耗規律耗油曲線疊加對比顯示分析;

裝載直升機重心變化包線計算顯示;

最大起飛重量控制;

極限重心配載計算。

5)油箱燃油質量特性管理

管理每個獨立油箱在各種油量、各種姿態下的燃油重量、重心、轉動慣量數據，取決于每個獨立油箱的幾何特性;油箱燃油質量特性管理實現以下功能:

油箱的燃油特性按型號分類管理，各型號之間數據共享;

油箱的燃油特性可以在各油箱之間復制、粘貼;

型號的油箱特性可以在各型號之間復制、粘貼;

油箱名稱可以被耗油規律引用，油箱名稱的改變不影響引用該油箱的耗油規律特性;

一旦油箱燃油特性改變，引用該油箱的耗油規律需要刷新;

使用空機中組合件的組成項目可以被復制、粘貼到油箱的燃油特性。

6)燃油消耗規律質量特性管理

管理各型號直升機燃油消耗規律;一種耗油規律由多個耗油步驟組成。燃油消耗規律設計受直升機重心前后限變化范圍限制，對直升機起飛、飛行、著陸過程中各油箱燃油消耗重量及順序進行強制性規定［2］。燃油消耗規律管理完成如下功能:

定義直升機耗油規律(即為耗油規律添加耗油步驟);

耗油步驟可以在各耗油規律之間復制、粘貼;

型號的耗油規律可以在各型號之間復制、粘貼;

耗油規律可以被裝載直升機引用，耗油規律名稱的改變不影響引用該耗油規律的裝載直升機耗油曲線。

7)數據查詢與報表

系統的數據界面采用樹狀結構的數據組織形式，使其具有零指令查詢和報表的性能。在數據庫資源管理主界面，左側的目錄樹本身就是數據庫內容的索引。用鼠標單擊目錄樹上的任何節點，在右側報表顯示區立刻顯示出節點屬性的報表預覽。

3WDM系統實施效果

WDM系統對產品開發和檢驗具有重要意義，通過該系統的建立，重量專業人員可以更容易、更方便、更有效和更安全地管理并使用重量數據，不但極大地提高工程技術人員工作效率，而且最大限度地揭示了重量數據的價值，完成重量數據的對比分析工作并且形成經驗積累。

在型號研制中的初步應用表明，WDM系統可顯著提高工作效率，表現在:

1)單人單輪次全機重量重心數據準備時間由原來的一個月縮短為一天，縮短了97%;

2)單人單輪次全機重量重心數據處理時間由原來的一周縮短為一天，縮短86%。

［1］ 蔣新桐，施學明，等．飛機設計手冊第十九冊直升機設計［M］．北京:航空工業出版社，2005．

［2］ 陳俊章，劉孟詔，等．飛機設計手冊第八冊重量平衡與控制［M］．北京:航空工業出版社．

Development of Helicopter Weight Character Date Design and Manage System

SONG Changhong，HUANG li，LV Chunlei
(China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001，China)

This paper set a quick and effective weight character date design and manage system by auto extraction module of the date of weight and center of gravity and calculation module of weight，gravity and inertia，based on the core of product architecture．Weight designer could use helicopter weight date more easily，conveniently，effectively and safely，not only enhancing engineer work efficiency，but also promoting the value of helicopter weight date．The system could enhance work efficiency in the application of the aircraft development．

WDM;weight and center of gravity;efficiency

V221+．5

A

1673-1220(2017)02-037-06

2016－10－10

宋長紅(1982－)，男，湖南永州人，碩士，工程師，主要研究方向:直升機重量與平衡。