航空發動機數字化協同研制技術的應用研究

劉曉玉　楊寧

【摘 要】本文通過分析航空發動機傳統串行研制模式下存在的問題及并行協同研制的優勢，說明了在航空發動機研制中采用并行協同技術的必要性，并進一步結合型號應用情況，梳理了航空發動機數字化協同研制技術推行中的關鍵技術。

【關鍵詞】并行協同；數字化協同；聯合開發團隊；標準體系

中圖分類號： V268.7 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）11-0040-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.016

1 串行工作模式下航空發動機設計存在的問題

在傳統的串行工作模式下，航空發動機產品開發大致遵循“概念設計—詳細設計—工程設計—加工制造—試驗驗證—設計更改”的流程。在這種工作模式下，航空發動機研制存在以下兩個問題。

1.1 設計迭代周期長、設計優化困難

由于技術限制，在航空產品的設計階段中獲取的產品各類信息極為有限，設計初期難以全面考慮可生產性、可裝配性和可維護性等眾多因素，從而導致產品設計中的大量設計更改，構成從概念設計到設計更改的大循環，延長了設計迭代周期。

1.2 研制周期長、研制風險大

航空發動機產品具有結構復雜、性能要求高、制造工藝復雜、生產周期長等特點。在傳統的串行模式下，生產準備必需在設計數據完整定義后才能進行，而占有大量生產制造時間的生產準備工作，所用到的設計信息很多都可在設計初期或中期確定，傳統的串行工作模式并沒有將確定的設計信息進行及時有效利用，從而延長了產品的整體研制周期，加大了產品研制的風險。

2 并行協同工作模式的優勢

并行協同研制工作模式采用產品聯合工作團隊的工作方式，它在產品設計的同時，同步設計與產品生命周期相關的要素，力求使產品的開發者在設計階段就考慮從概念到投入使用的整個生命周期內的所有因素，包括結構、性能、制造、裝配、檢驗、維護、成本和質量等。相對傳統的“串行”的過程，并行協同研制采用的是“并行”的過程，在設計階段集中有關產品研制周期的各部門工程技術人員，共同進行產品設計，同時，采用基于模型的定義技術，依靠仿真分析軟件對產品的性能和有關要素進行動態仿真、分析和評估，提出設計優化建議，以取得最優的設計效果。這樣設計的產品不僅有良好的性能，且易于制造、檢驗和維護，同時減少了設計更改的數量，縮短了設計迭代周期。

同時，并行工程強調時間上的“并行”，基于設計前期已確定的信息同步開展下游的工作，通過對產品設計信息進行分階段的定義，可確保不同階段的設計信息的有效利用，如根據設計定義的零件毛坯信息進行原材料訂貨、根據產品大致的結構進行工具工裝設計等，通過這種方式可促進下游工作的提前啟動，相對縮短制造環節的生產準備周期，從而縮短產品研制的周期。

3 航空發動機并行協同技術推進中的關鍵技術

3.1 構建產品聯合開發團隊（IPT）

IPT是產品協同研制的組織基礎，通過成立聯合開發團隊，確定聯合設計的職責，可打破廠所、部門間的物理界面，構建基于項目的跨學科、跨單位、跨地域的聯合研制團隊。航空發動機產品研制的IPT一般以航空發動機產品分解結構為基礎構建分層級的結構，每個IPT小組內都包括設計、仿真分析、工藝、裝配、檢驗、維修等多專業技術人員（圖1）。通過IPT工作的開展，制造、檢驗等技術人員可依據自身經驗和專業能力為設計提供優化建議，增強設計的工藝性和可制造性，提高設計質量，同時使設計下游業務人員更好地理解設計意圖，提高后續加工制造環節的設計符合性。

由于IPT是一種以項目為核心的跨單位組織，原則上IPT不受任何單位的制度約束，故在項目IPT組建的同時應明確其管理辦法，包括各級IPT小組的職責、人員變動管理、IPT小組成員角色及其職責權限等。

3.2 IPT協同工作方式

IPT的協同工作方式包括即時協同和基于流程的協同兩種。其中，對于跨地域、復雜產品的IPT組織，一般采用即時協同的方式，即通過網絡環境下在線同步工作的方式，進行協同的人員通過交互式CAD工具對產品的設計進行在線討論和操作，通過對CAD模型的同步編輯、同步標注、語音文字同步傳輸等功能，實現異地用戶對共同設計數據的同步討論。即時協同具有協同效率高、協同程度深、協同效果好的特點。

基于流程的協同是一種基于研發系統進行數據確認和信息反饋的方式，當需要進行協同時，設計人員對數據發起相應流程，IPT成員基于流程進行意見反饋。基于流程的協同具有過程信息易于記錄、易于追溯的特點，但協同效率偏低。

3.3 構建支撐協同研制的協同工作環境

隨著發動機行業內各廠所間協同工作的深入，工作交叉越來越多、各廠所信息數據的交互越來越頻繁，原有的以單位為單元構建各自獨立的數字化工作平臺，依靠頻繁的系統架構適應性更改實現與特定廠所的信息交互的方式已不能滿足型號協同研制的需要。構建可以支持異地多廠所之間信息共享、集成、傳遞，支持協同工作機制和主要業務流程的協同研制平臺，是推進行業“大協同”和型號協同研制深入開展的基礎。為更好地支持協同研制工作，協同研制工作平臺應實現如下功能：

3.3.1 統一的集成軟件版本，保證數據的可讀性。

航空發動機產品在研制過程中會產生眾多的信息，軟件的類型和版本直接影響其在其他系統中的可讀性。通過統一主要信息定義的軟件類型和版本，可保證數據使用的準確性。軟件版本在統一的過程中應充分考慮已有信息的可讀性，及未來產品信息定義的需求，一般軟件應統一為相對高版本。

3.3.2 統一的信息模型，保證數據傳遞的準確性。

信息模型是系統軟件進行信息管理和組織的方式，每個信息都通過信息模型中的相應元素來進行信息化定義，同時信息系統通過對信息模型中各類信息的識別來判斷信息的類型和所屬對象等。在設計PDM系統中，信息模型主要包含Item類型、Item及ItemRevision的屬性、BOM配置規則及BOMLine屬性、Item文件夾結構及數據間關系等。統一信息模型是確保數據順利交互，保證傳遞數據準確性的基礎。

3.3.3 統一公共資源，保證共用信息定義的一致性

在發動機產品定義過程中，存在許多公共基礎信息，包括材料信息、標準信息、標準件信息等，這些信息依據一定的標準規定進行描述，在各型號和各單位間具有普遍性和一致性。對這些信息的數字化定義直接影響后續生產加工等信息使用環節中對共性信息的識別，如原材料和標準件的采購和管理，工藝標準的執行和變更管理等，從而影響對公共資源的統籌規劃、管理，增加生產成本，影響生產效率。構建公共資源庫，可實現從設計源頭對公共信息的一致性描述，從而方便工廠進行公共信息的識別和公共資源的統籌管理。

3.3.4 實現跨系統的流程執行和即時協同

如3.2節所述，為支持基于IPT組織模式下的跨地域、跨單位協同工作，協同研制平臺應具有跨系統流程執行和即時協同的功能。此部分工作的重點在于跨地域的各系統間的網絡連通、系統數據的安全性和保密性控制、基于型號或項目的人員角色定義和權限管理、即時協同工具軟件對CAD軟件的集成、即時協同過程中過程數據的記錄和管理等。

3.5 形成基于模型的產品定義方式

發動機產品的協同研制不但是工作內容協同和流程協同的過程，同時是基于單一數據源實現產品數據集中管理和產品數據重復利用的過程。基于模型的定義（MBD）是一種有效的方式。它不但可以突破傳統的以二維圖為中心，三維模型為輔的管理模式下，設計數據定義重復，圖紙解讀困難的問題，同時可保證設計過程中性能仿真、強度仿真、加工仿真、裝配仿真等仿真過程所使用的3D虛擬數據與設計數據的一致性，從而提高仿真的準確性和可參考性，優化協同研制效果。在MBD的技術體系中，MBD數據集內容包含設計、工藝、制造、檢驗等各部門的信息，在數據管理系統和研制管理體系的控制下，各職能人員可以共同在一個未完成的產品模型上協同工作，是協同研制工作的載體。同時，MBD模型作為一種數字化定義的數據，其各類信息可方便地被各類系統所識別，是后續數字化加工的數據源，是實現設計制造一體化轉變的基礎。

MBD不是簡單的三維模型加三維標注，它不但定義了設計幾何信息同時定義了三維產品加工制造信息、使用維護信息等全壽命周期的產品信息，同時包含非幾何的管理信息（產品結構、BOM、屬性等）。這種集成化的產品信息定義體系對數據管理系統的集成功能和組織管理方法提出了極大的考驗。目前航空發動機已形成基礎的MBD定義體系，實現了設計信息的三維數字化定義，通過典型型號的推廣驗證了三維數字化加工的可行性，但實際工程經驗尚且不足，對MBD體系的研究尚且需要深入。

3.6 構建支持協同研制的標準體系

協同研制的推廣使航空發動機產品研制從單一單位參與逐步向全行業共同參與轉變，工作模式從串行工作模式向并行協同工作模式轉變，這種變化必然對型號研制的管理和研制工作的有序進行提出更多的挑戰，構建支持協同研制的標準體系，保證型號協同研制過程中有據可循，各項工作有序進行是協同研制工作推進的基礎。

協同研制標準體系應是航空發動機協同研制過程中所需標準組成的科學有機體，涉及協同研制過程中的各項活動，包括協同研制管理標準，協同環境標準、數字化產品定義標準三個類別，如圖2所示。