航空發動機強度設計系統建設與應用

王 威，耿 瑞，王相平，宋 洋，曹 航，趙 娜，葛長闖

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

航空發動機設計體系是規范指導和實施渦噴/渦扇/渦槳/渦軸類型航空發動機設計活動的技術系統。設計體系將規范發動機設計的全部流程，指定（或推薦指定）設計過程所使用的各類工具和方法，提供各類與設計活動相關的數據服務，是航空發動機設計經驗的總結歸納和深化結晶，包括設計規范、設計軟件、工程數據庫和系統集成平臺4部分[1-4]，其中系統集成平臺以信息化為載體，可充分發揮體系要素的指導、參照作用[5-7]。結構強度設計是航空發動機設計、研制過程的重要組成部分，在發動機整機及零部件的結構強度設計工作中發揮重要作用，保證發動機產品在壽命期內達到強度和可靠性設計要求[8-11]。隨著中國航空工業的飛速發展，航空發動機設計研制任務日益繁重[12-14]，整機和部件結構強度設計工作量也隨之越來越大，但原有強度設計工作的開展、存儲、管理和轉化應用的方式過多地依賴于個人技術經驗和技術傳授這一途徑，不能很好地將強度設計的各工作流程環節和關鍵要素很好地結合起來，既缺乏對成熟工作的規范化指導，又缺少針對特殊工作的靈活轉化，已經無法適應現階段任務的需求，不僅影響工作和學習效率，而且不利于知識經驗的積累、傳承和運用。

為了彌補上述不足，本文緊密結合強度設計體系建設要求，充分考慮航空發動機強度設計相關專業技術需求與現狀，以國內外先進仿真平臺為基礎，建立適用于航空發動機結構強度的設計系統[15]，以此平臺為載體，徹底改變現有工作模式和流程，徹底理順和規范了整個強度設計過程，實現強度設計工作規范性與靈活性的統一。

1 平臺建設思想提出

針對在強度設計體系建設中所出現的設計工作過程不夠規范，經驗積累不夠系統等問題，提出“流程驅動，要素集成”的平臺建設思想，如圖1所示。開展初步方案論證：應用3類（成熟、待改進、在研）可動態擴充的流程模板規范設計工作；應用檢查清單對設計精度進行有效控制；應用規范/指導書/文件模板等體系要素指導、約束設計過程。通過對現有強度設計規范與準則的研究，將強度設計的具體環節歸納為十余種典型操作動作，針對特定強度設計工作的流程模板可以通過操作動作的組合靈活快速地建立、編輯和修改，同時可以根據具體工作需要，靈活地集成適合的體系要素，具有良好的動態擴充性，避免設計流程過于僵化不利于指導某些特定設計任務的情況發生。

2 關鍵技術實現

2.1 流程模板的建立與持續完善

發動機強度設計流程體現在航空發動機整個研制階段，“十一五”期間將全部規范準則中涉及的典型強度設計流程歸納、提煉、分解、總結，形成平臺上可執行的標準流程步驟，通過此步驟的組合建立流程模板，并將體系要素嵌入，以達到規范、指導不同類型強度設計活動的目的；“十二五”期間為提高工程實用性，對流程模板進一步優化與完善，如模板中體系要素的管理與使用，設計要素與流程的映射關系的細化如圖2所示。滿足全周期研制活動如多輪次迭代、排故需求的技術實現等。

圖2 設計要素與流程的映射關系

針對以上問題，首先在梳理體系要素基礎上，對流程模板構架進行優化與重建，其優化方案如圖3所示。其中模板涉及的各類要素包括軟件、規范、指導書、文件模板、檢查清單等，存放在系統的資源庫中，在新模板制作時，通過鏈接模式調用這些要素，保證數據惟一性和可利用性。最終工程上應用的流程模板作為系統的核心，達到只要下任務，指定分析任務類型，就能確定惟一流程模板，指定惟一規范、指導書、文件模板和工作流程的目的。通過流程模板控制工作從“計劃、下達以及執行和上報”各環節準確規范。

圖3 流程模板建立與優化

圖4 流程模板輪次迭代的工程應用

其次流程模板中系統完善了用于輪次迭代的操作，如圖4所示。制定相關執行細則，同時又對排故、試驗以及預研項目等工作開展模板定制的技術研究，基本上保證模板對全周期研制工作的可覆蓋性，獲得的成果均已應用到科研工作中。

另外1項重要改進是在流程模板中增加關鍵設計參數的提取與錄入功能，關鍵設計參數對未來強度設計工作具有重要的參考價值，分為結構幾何參數、載荷參數和關鍵結果參數。“十二五”期間對關鍵設計參數進行梳理，并通過流程模板實現在系統中對關鍵設計參數錄入、查詢及對比的功能，如圖5所示。和完善。截至目前，梳理流程45個，新增指導書85份，檢查清單115份，文件模板47個，補充完善軟件40余個，仿真規范42份，有效地促進了體系的全面建設。最終，以強度設計系統為載體（如圖6所示），集成體系要素，充分發揮其指導參照作用。

圖5 關鍵設計參數對比

2.2 以流程為牽引的工作任務模式實現

在主任/組長下任務時，只要確定流程模板，也就指定了惟一的規范、指導書、文件模板和工作流程，設計人員以流程步驟作為執行項，以檢查清單作為檢查項，以指導書、規范以及參考資料作為指導項（如圖7所示），規范、準確完成強度設計任務的同時，提高工作效率，系統中按工作需要進行相關工作移交，以適應實際工作需求。在設計人員開展工作的同時，主任/組長同步查看項目進行中的任務組成、任務完成和質量狀態，工作流程如圖8所示。

圖6 體系建設以平臺為載體

圖7 流程為牽引的工作任務

圖8 強度設計系統工作流程

強度設計系統的建立間接促進系統配套要素建設、平臺建立，并在推行過程中，進一步推動強度設計體系成果的建設與分享?！笆濉逼陂g，以流程模板為牽引，對涉及的各類設計要素進行全面梳理、補充

2.3 強度設計工程數據庫構建

在執行任務過程中，產生的數據直接作為過程數據形成數據庫，按照強度設計工作需要，基于強度設計數據梳理結果，系統中設有強度設計數據庫、故障庫和試驗庫，如圖9所示。將需要管理的數據保存在相應的數據庫中，可以針對不同的部件及分析流程進行相應存儲。

圖9 強度設計數據庫構建

（1）強度設計數據主要包括：原始設計輸入、幾何模型、有限元網格模型、載荷信息、仿真結果、關鍵結果、分析報告等。針對不同的部件及分析流程，其保存的數據可以有差別。

（2）強度排故數據主要包括：與排故工作相關的過程數據、故障類型、故障時間以及故障報告等重要信息。

（3）強度試驗數據主要包括：與強度試驗相關的原始數據、試驗任務書以及試驗總結報告等重要信息。

2.4 強度設計經驗傳承與應用

在設計體系要素補充與完善基礎上，梳理工作過程中存在的問題和解決方案，以及設計方法和經驗，同時也包括部分型號研制過程中積累的重要數據。利用強度設計資源庫，將強度設計相關資源進行整合并分類管理，解決了經驗數據經常因人員的變動而流失或因存儲工具的損壞而丟失的問題，方便知識的積累、傳承、借鑒和使用，有利于工作效率的提高，加速人才的培養。在資源庫建設與使用過程中，隨著強度設計資源數量的不斷擴充和類型的不斷增加，資源庫結構也隨之更改以適應日常工作需求，如圖10所示。

2.5 可動態擴展的數據庫技術實現

通過流程模板的形式驅動工作任務的實施，實現“流程驅動，要素集成”的平臺建設思想的工程化應用。保障了強度設計的規范性、系統的靈活性及良好的擴充性，保障了流程、數據庫和用戶權限均可靈活配置。不但滿足型號研制及組織機構調整等需求，也滿足保密工作的要求。主要內容如下：

圖10 資源庫規劃

（1）流程模板可以根據不同設計階段不同設計特點進行快速調整，可涵蓋發動機全生命周期強度設計活動，包括設計、排故、試驗以及預研工作。同時，新的知識經驗也能快速集成在流程中，有利于知識的積累、經驗的傳承與應用。

（2）數據樹初始只有基本框架，在正式使用時，根據研制型號增加，當有新型號時，可通過類似型號結構快速生產新的型號，既滿足工作需求，也滿足保密要求。為按照強度設計規范的9大專業細化所搭建，以適應專業調整的需求。

（3）資源庫可以根據實際使用需求快速擴充和調整，以適應資源數量的不斷擴充和類型的不斷增加。

（4）系統中的枚舉項都可以根據需要擴充，不至于因系統僵化而導致需要重新開發的問題。

在強度設計系統建立過程中，考慮到強度設計系統與研發集成平臺以及其他系統數據的交換問題，提前開展強度設計系統與研發集成平臺集成方案研究，為后續系統集成提供技術保障。方案如圖11所示。主要內容包括以下5方面：

（1）強度分析任務發起。研發集成平臺將具體強度分析任務通過2個系統接口發送至強度設計系統，然后傳遞任務說明文件指分析請求單XML，在分析請求單XML文件中，說明輸入數據要求、輸出數據要求、時間節點、項目信息等。該分析請求在強度設計系統中，狀態顯示為待執行。

（2）設計輸入推送。相關專業將設計輸入分為幾何模型和其他設計輸入，通過研發集成平臺推送到強度設計系統，強度設計系統后臺創建相應類型的幾何模型和其他設計輸入，并與分析請求關聯。

（3）強度分析任務創建。在強度設計系統中，室主任或組長判斷任務所屬數據是否完備，數據完備后，設置分析請求狀態為執行中，批量創建強度分析任務，并分配給相關設計人員。強度分析任務通過與分析請求的關聯，找到關聯的幾何數據和其他設計輸入。

（4）執行任務。強度設計人員完成任務后設置為完成狀態，任務的輸出可選項為任務的所有過程數據，包括報告、模型、結果等。由設計人員選定輸出數據（可以為多個），該輸出將返回研發集成平臺。

（5）分析請求閉環。分析請求的所有任務完成后，觸發接口將該分析請求所有任務的輸出推送到研發集成平臺，等最后1項任務完成后，觸發分析請求的狀態設置為完成。

圖11 與研發集成平臺初步集成方案

3 強度設計系統推廣與應用

歷經7年時間，共經歷Demo版、2012版、2014版3個版本，搭建開發、測試、試運行、投入使用4個階段，完成航空發動機強度設計系統的開發與完善工作。針對以上版本開展多輪次軟件功能的測試與完善工作，如2012版166條、2014版112條，測試記錄。其中多次針對某項功能開展多輪次迭代修改。最終建立適合于強度設計專業的設計系統，并將此系統應用于型號研制的強度設計工作中，系統主要功能和特點見表1。

目前，強度設計系統在各預研項目和型號工作中全面推廣使用，數據信息逐步增加，截至2017年底，系統中各數據庫建設情況見表2。數據增量情況如圖12所示。

表1 系統主要功能及特點

表2 強度設計系統使用情況

圖12 強度設計系統數據增量

4 總結

（1）提出“流程驅動，要素集成”的航空發動機強度設計體系總體思路，建立能夠滿足發動機全研制周期的強度設計系統。

（2）提出“流程模板”的技術概念，將流程步驟、設計要素、經驗等嵌入模板中，通過對模板的管理和調用，驅動任務流程，保證了系統的規范與靈活。

（3）發展了設計過程數據譜系化管理和系統動態擴展技術，并實現在航空發動機強度設計系統中的應用。

航空發動機強度設計系統是航空發動機設計體系的重要組成部分，是發動機研制經驗和教訓的結晶，反映了行業目前所能夠達到的技術和管理水平。通過此系統平臺的建立，強度設計工作將包括流程驅動、規范/指導書參照、清單及各類模板約束、經驗數據庫支撐的規范高效的技術活動。由此提升了強度設計工作的技術水平和管理水平、提高了設計成功率及工作效率，最終實現結構強度設計能力穩步有序提升的目標。