結構工藝樣機全流程貫通關鍵技術研究與應用*

胡長明，梅啟元，張 柳，胡青報

（1.南京電子技術研究所，江蘇 南京210039；2.南京國睿信維軟件有限公司，江蘇 南京210013）

引 言

復雜電子裝備包含雷達、通信導航設備、電氣運行和控制設備等，廣泛應用于軍工電子、航空航天、船舶、軌道交通等領域，對推動國家經濟發展、增強綜合國力具有重要作用。它具有裝載平臺多、更新換代快、多品種、變批量、研制批產混線、一代平臺多代電子、多學科交叉耦合等特點[1]，具體表現如下：

1）結構組成復雜，嵌套層級和元器件數量繁多。雷達等典型復雜電子裝備的分系統達數十類，零部件數量上萬，元器件數量更是在百萬量級，其研制生產過程跨地域、跨工種、跨部門，研制過程及工藝流程復雜。

2）構型變化大，結構功能一體化，多學科交叉耦合。當前電子裝備向構型變化大、結構功能一體化等方向發展，體現為機、電、液、熱等多專業交叉耦合，對研發的集成化能力提出了更高要求。

3）多品種，變批量，技術更新換代快，一代平臺多代電子。隨著信息技術的飛速發展，電子裝備呈現出多品種、變批量、研制批產混線、技術更新換代快的特點，裝備更新換代的速度遠遠超過其裝載平臺更新的速度，對研發效率提出了極高的要求。

電子裝備的復雜性給產品結構與工藝的研制過程帶來了諸多困難，其結構、工藝和制造等多專業研發系統孤立的現狀導致設計過程中數據源不統一，使數字化設計模型停滯在結構設計端，而不能傳遞至工藝、制造端，進而產生了產品設計差錯率高、研發周期長等問題，嚴重制約了企業的高質量發展。隨著產品復雜度的提高，傳統的結構工藝制造設計流程越來越難以適應產品高可靠性、短周期交付的發展需求，業界迫切需要可以有效整合結構、工藝和制造等系統的技術途徑，實現基于統一數字模型的全流程貫通。通過整合基于模型的全流程，產品的設計者、制造者和使用者可以在虛擬環境中探索各種可能的設計方案，直觀形象地對數字化的虛擬產品原型進行設計優化、性能測試、制造仿真和使用仿真，精簡復雜產品研發過程中所需的實物樣機，從而顯著提高產品的自主研發能力[2]。

在產品的數字化平臺研制領域，國內外機構和學者均進行了廣泛的研究。國外的達索、泰雷茲、西門子、空客等先進企業率先對基于三維模型的數字化設計和制造技術進行了探索，基于統一模型對產品需求、行為等要素進行全過程追蹤追溯，實現端到端的數字鏈連續傳遞和協同研發，引領了行業發展[3–4]；空客、波音等采用拓撲優化技術進行結構輕量化設計，取得了顯著的減重效果。國內的中國電科、航空、航天等單位和部門積極學習國外先進企業經驗，推進全過程三維模型貫通應用和精細化管控，提升了產品的質量和核心競爭力；商飛、北汽等逐步將拓撲優化用于產品構型優化，產品輕量化效果顯著。

文獻[5]對大數據下的新型數字化平臺構建方法進行了研究，提出了基于數字化孿生模型的產品設計分析整體架構。文獻[6]對基于模型定義的數字化平臺建設方法進行了總結，并提出未來的研究重點應放在產品裝配這一生命周期中，從而加快構建基于模型的數字化企業。同時，國內在此領域也有較多研究成果。文獻[7–8]基于本單位的產品設計、工藝現狀，梳理、規劃出結構工藝集成設計信息流向，提出并構建了基于模型定義（Model Based Definition,MBD）的結構工藝集成設計系統的建設思路，實現了基于模型定義的結構工藝集成設計。文獻[9–13]分析了目前雷達結構工藝設計面臨的問題，提出了面向雷達結構工藝設計一體化的協同平臺，有效打通了雷達結構工藝設計的過程鏈和數據鏈。此外，國內航空、航天、船舶等企業已初步建立了企業級的產品數據管理（Product Data Management,PDM）平臺[14–19]，并構建了產品的數字化樣機。

總的來看，盡管國內外專家學者在各自的領域取得了諸多研究成果，但針對大規模復雜電子裝備行業的數字化平臺構建理論及應用仍存在較大的空白，研制過程中存在的結構、工藝和制造等多專業研發系統孤立、數據源不統一、三維模型未全流程貫通等問題仍需要進一步徹底有效地解決。

1 總體思路

針對上述問題，本文提出了面向復雜電子裝備的結構與工藝全流程集成研發新模式，其總體思路（圖1）是構建貫穿產品全生命周期的數字鏈，實現統一模型在設計、制造各階段的連續傳遞和貫通應用。

圖1 總體思路

要實現基于模型的復雜電子裝備結構工藝樣機全流程貫通，首先需要構建統一的集成設計平臺，實現結構、工藝、仿真和制造等多專業間的協同研發；其次需要采用模型定義技術，實現數據源的統一，采用數字化模型傳遞與發布技術，解決設計模型向工藝、生產制造端傳遞過程中的調整和關聯變更難題，最終推送到制造現場，實現無紙化生產；最后，需要在全三維結構設計、工藝設計的基礎上，建立多學科協同仿真管理平臺，實現針對電子設備特點的仿真驅動的正向設計。

2 系統架構

構建統一的集成設計平臺是實現基于模型的復雜電子裝備結構工藝樣機全流程貫通的前提。在平臺構建過程中，需要將原有多系統、工具分散、孤立的設計模式改變為在統一平臺下業務、數據、流程及應用協同融合的設計模式，減少數據冗余風險，實現數據鏈的連續傳遞，解決設計、工藝、制造等各環節信息傳遞不順暢、各部門協同不緊密、全過程管控不精細等難題。平臺構建方法和過程如圖2所示。

圖2 平臺架構構建方法及過程

具體實施方法和過程如下：

1）遵循企業架構規劃設計方法，以業務流程為導向,對模型貫穿設計、仿真、工藝和制造的業務過程進行梳理，形成平臺業務架構。平臺將流程作為專業間有序協作的驅動力，在MBD規范體系的指引下，以三維模型為核心，支撐結構、工藝并行設計過程，主要支撐的業務包含協同設計、協同仿真、工藝設計、工藝仿真、無紙化發布等。

2）分析業務過程中模型的傳遞轉換關系與規則，梳理數據流轉的數據架構，通過數據架構的設計，有效識別面向電子裝備的結構與工藝集成設計系統所承載的數據與模型對象以及相關對象之間的關聯關系，以此來打通平臺、工具及系統之間的數據流，實現數據之間的有效傳遞與交換。

3）結合業務架構、數據架構與各專業業務應用的需要，梳理形成符合電子裝備特點的結構工藝一體化設計分析應用架構。其核心應用系統包括基于模型的全流程集成研發系統、全三維結構協同設計系統、全三維工藝設計與管理系統、多學科仿真綜合管理等4個方面。

4）分析應用架構中各應用場景的能力與技術需求，規劃平臺開發的技術體系與框架，形成基于統一模型的全流程集成研發技術架構。技術架構共分為3層，分別是數據層、邏輯層和應用層。

5）根據系統架構、業務架構、數據架構和技術架構，深度集成設計、工藝和仿真等設計工具，優化端到端全三維研發流程，建立完整、單一、有效的模型管理中樞，支撐全三維結構設計、工藝數字樣機平臺和仿真綜合管理平臺的統一調用。構建多專業共享的主模型網絡，滿足自研與商業工具的接入需求。確保模型貫穿設計、仿真、工藝及制造全過程，實現基于主模型的演進與轉換的全流程集成研發。典型結構工藝數字樣機的設計研發環境如圖3所示。

圖3 結構工藝數字樣機設計研發環境

平臺以設計制造一體化管理環境為基礎，以數字化樣機標準體系為支撐，結合復雜電子裝備的研發特點進行開發和定制，形成結構工藝數字樣機研發系統，實現基于模型的全三維快速設計、全三維工藝發布、仿真綜合管理等全流程貫通。

3 關鍵技術

基于模型的復雜電子裝備結構工藝樣機全流程貫通關鍵技術主要包括“模型定義”、“模型傳遞”、“模型發布”、“多學科協同仿真及仿真管理”等幾個方面。

3.1 模型定義

基于模型定義的數字化設計與制造技術已經成為制造業信息化的發展趨勢，也是實現復雜電子裝備結構工藝樣機全流程貫通的重要保障[1]。

在實施過程中，針對復雜電子裝備研制過程中出現的數據源不統一、不規范以及三維模型在設計、工藝、制造端貫通困難的問題，制定包含設計、工藝、制造等信息的三維模型定義規范，實現數據源的統一輸入和完整定義，解決數據源不統一的難題。將設計、工藝、制造等信息融入統一的三維模型，制定包含設計、工藝、制造等信息的三維模型定義規范及規范體系；通過數據源的統一輸入和完整定義，實現數據源的統一和信息的有效傳遞，解決全流程貫通過程中數據源不統一的問題。模型定義如圖4所示。

圖4 模型定義

3.1.1 設計端

采用全三維模型進行結構設計和標注，將有特殊要求的尺寸、形位公差、加工要求等標注在三維模型上，共性的一般要求參照三維設計標準執行；將材料、部門、代號、分系統等信息通過模型屬性進行定義；將涂覆、油漆及設計要求通過技術要求進行規定。模型作為工藝、制造等后續階段的唯一輸入依據。同時建立和發布全三維設計標準體系，形成面向工程實踐的系列標準，確保系統的規范運行。

3.1.2 工藝端

基于統一設計管理平臺，重構工程物料清單（Engineering Bill of Material,EBOM），形成工藝物料清單（Process Bill of Material,PBOM），利用三維工藝編制軟件讀入設計模型，設計信息自動帶入工藝端，開展零部件詳細工藝設計，按工序工步將加工要求、裝配要求、生產資源等信息賦予工序工步模型，完成工藝端模型定義。

3.1.3 制造及檢驗端

在工藝文件基礎上，通過無紙化終端，將實際尺寸、涂覆、檢驗信息、生產問題等信息賦予統一模型，完成制造和檢驗端模型定義。

3.2 模型傳遞

要實現三維模型從設計端向工藝及制造端的順暢、準確傳遞，需要解決模型檢查、模型簡化、基于PBOM的模型重構、機電混裝模型工藝規劃、基于柔性建模的零件工藝等關鍵技術。

3.2.1 模型檢查

模型檢查是實現全流程貫通的重要環節，任何干涉、錯誤和不規范等都會導致后續環節無法開展，影響產品質量和裝配進度。模型檢查包括模型干涉檢查、模型工藝性檢查、模型規范性檢查等幾個方面。

商用軟件自帶的標準干涉檢查模塊能夠自動對裝配模型進行干涉檢查，但檢查策略簡單，檢查速度慢，效率低，不能滿足復雜裝配的干涉檢查要求，同時檢查結果存在大量虛假干涉，軟件無法進行批量處理，導致干涉檢查結果無法得到快速有效的使用。針對商用軟件在干涉檢查方面存在的效率低、虛警率高、無法批量處理等難題，需要采用基于特征識別的模型檢查技術，開發適用于復雜電子裝備的干涉檢查工具。根據被檢查對象的特點，快速設置檢查策略，提高檢查的針對性和速度；根據干涉對象的特征進行自動匹配、分類，使檢查結果可以批量處理，同時對干涉位置進行準確定位，使之自動生成干涉檢查報告。

3.2.2 模型簡化

隨著復雜電子裝備的發展，設備組成越來越復雜，設備規模呈指數級上升。例如，在雷達領域，口徑超過幾十米、單元數量超過十萬的超大規模陣面越來越多，對軟硬件的超大裝配模型的處理能力提出了更高的要求。若不針對復雜電子裝備的特點采取有針對性的措施，對模型進行簡化處理，就會存在運行速度慢、無法打開、操作不流暢等問題，影響工作效率和質量，甚至導致模型無法向工藝及制造端傳遞。

需要基于現有的軟硬件條件和已有的模型簡化規范，加強對超大裝配模型簡化工作的頂層策劃和管理，針對復雜產品，制定面向多樣化對象的大裝配模型簡化管理辦法，提升超大裝配模型簡化的實用性，提升設計效率。

在設計端，需要針對雷達等電子裝備高密度機電混裝、構型多樣化的特點，采用收縮包絡、簡化表示、替代模型等壓縮技術和輕量化策略，建立基于典型對象的簡化策略和規范，解決大裝配模型操作不流暢等難題。

在工藝端，針對超大模型數據，集成應用多線程同步下載、三維模型斷點續傳等壓縮處理策略和技術，解決工藝設計過程中無法打開超大模型、制造端無法可視化瀏覽等問題。

3.2.3 基于PBOM的模型重構

為了有序地組織生產,以EBOM為基礎，通過結構關系重構、裝配對象數量調整、工藝中間件添加等操作，補充工藝路線、物料等信息，構建完整的PBOM。

PBOM作為工藝設計的源頭，與三維工藝模型、結構化工藝數據、工藝任務等關聯。通過建立基于設計模型的工藝模型構建機制、采用位號記錄三維模型實例的方法實現基于PBOM結構的三維工藝模型的重構，解決PBOM結構與三維裝配模型不匹配以及設計模型變更無法驅動工藝模型變更的問題，實現模型動態調整以及PBOM結構與三維模型的準確關聯，確保設計信息向工藝端的準確傳遞。PBOM重構如圖5所示。

圖5 PBOM重構

3.2.4 機電混裝裝配工藝規劃

復雜電子裝備裝配復雜，零部件多，機電混裝特點突出，尤其是電纜等對象在產品設計過程中單獨設計，不能拆分至對應的工序工步中，無法有效指導生產過程。

為了提高工藝規程的準確性和完整性，需按裝配過程將電纜等對象的三維模型拆分至對應的工序工步中。在裝配工藝設計環境，采用基于JAVA的工藝特征建模技術，通過區分結構模型和電纜模型的關系屬性，分別映射對應的工藝特征，解決設計端的電纜模型在工藝中難以拆分的問題，實現工藝設計過程中對電纜模型和結構模型的按需編輯和處理，使機電混裝的裝配過程直觀而規范。

3.2.5 基于柔性建模的零件工藝模型快速設計

在零件工藝設計過程中，需按零件的加工過程生成與加工工藝相吻合的工序模型。以設計模型為主模型，采用柔性建模技術，實現基于設計模型的零件工序模型的逆向設計（由設計模型至毛坯），達到零件工序模型的快速設計和變更目的；通過三維模型設計工具與工藝設計系統的集成，實現工序模型與工序工步的關聯和版本管理，保證工藝文件的正確性。典型的零件工藝流程如圖6所示。

圖6 零件工藝

3.3 多學科協同仿真優化

當前電子裝備向構型變化大、結構功能一體化等方向發展，體現為機、電、熱等多專業交叉整合、協同耦合仿真，對研發的集成化能力提出了更高要求，也給企業帶來了巨大挑戰。一方面是企業研制任務繁重，研制周期短，迫切需要通過仿真分析來減少對試驗的依賴，縮短研發周期；另一方面是市場對產品的性能、質量要求也越來越苛刻，而產品的使用環境條件卻越來越復雜，迫切需要使用仿真分析手段來深刻認識產品的特性，充分利用優化設計方法，通過最快的“設計–仿真”循環優化迭代（圖7），實現產品創新設計，提高產品設計質量，提升企業競爭力。多學科協同仿真驗證主要包括協同仿真管理、多學科協同仿真、拓撲優化、機電耦合分析、維修性與裝配性仿真等幾個部分。

圖7 設計–仿真循環迭代

3.3.1 協同仿真管理

針對電子裝備研制過程跨部門跨區域、仿真數據分散、仿真數據與設計數據關聯性差的問題，需要在全三維結構設計、全三維工藝設計的基礎上，構建協同仿真管理系統（Simulaton Lifecycle Management,SLM），實現基于模型的仿真數據統一管理，同時基于仿真結果驅動設計優化，形成設計模型與仿真模型之間的循環迭代。協同仿真管理系統包括仿真數據管理、仿真流程管理、仿真知識管理、試驗數據管理等。仿真數據與設計數據、工藝數據之間通過設計制造一體化平臺實現數據交互。

3.3.2 多學科協同仿真

針對電子裝備涉及學科種類多、各學科間交叉耦合性強的特點，復雜電子設備的仿真通常需要多學科、多物理場協同耦合仿真，但各學科采用的仿真工具及數據模型各不相同，各學科之間的工具集成和數據耦合非常有限，需要進行大量的數據模型轉換，導致仿真缺乏關聯性和一致性，影響仿真精度和效率。

多學科協同仿真技術采用數據交換、模型轉換、求解器集成等方式，將面向不同學科領域的仿真軟件結合起來，針對仿真過程中采用的標準/規范/協議、網絡與數據庫結構、系統集成技術和集成方法、系統運行模式等涉及整體的問題進行統一規定，實現多個不同仿真工具之間的信息交互和求解環境兼容，奠定多學科協同仿真的基礎?；谠摷夹g，可以定制仿真流程，實現仿真分析的自動化，促進分析人員之間、設計與分析人員之間的交流和協作，打通設計–分析流程，促進產品的循環迭代。

3.3.3 拓撲優化

復雜電子裝備結構種類、樣式繁多，產品的結構外形不僅需要滿足美觀性的要求，更需要在力學上實現輕量化，達到比剛度最大的最優化狀態。針對這些需求，需要對電子裝備開展結構拓撲優化分析，面向設計區域的材料布局，綜合采用均勻化方法、變密度法、漸進結構優化法、水平集法等優化方法以及優化準則法、序列凸規劃法、遺傳法等迭代算法，充分考慮并克服結構拓撲優化過程中易出現的棋盤格現象、網格依賴性和局部極值等問題，計算出結構設計區域內最佳傳力路徑，在均勻分布材料的設計空間尋找最佳的材料分布方案，實現電子設備結構最優構型，大幅減輕重量，提升結構剛度。設計人員進而以該最優結構構型為基礎展開結構設計，最終形成滿足便捷性、可靠性等指標的工程結構形式，完成優化–設計閉環。

3.3.4 機電耦合分析

復雜電子設備通常面臨各種形式的環境載荷，為保證設備服役時的技術指標，傳統的結構設計過程通常分別針對各類環境載荷下的結構進行校核，而隨著電子設備向著高精度、高靈敏度的方向發展以及機電耦合理論研究的深入，電子設備的電磁場、位移場和溫度場間的機電耦合關系已不容忽視。

針對電子裝備機電耦合性強的特點，仿真分析電訊–結構在各種環境載荷下的形變和電性能，并基于機電耦合理論構建相應的相位補償方法，實現天線形變的自適應電補償，保障電子裝備在服役環境下精確可靠地工作。

3.3.5 維修性與裝配性仿真

鑒于電子裝備功能的多樣化和結構的復雜性，傳統基于實物的維修和裝配工作不僅浪費資源，而且效率低下，直接影響產品的研發效率和性能。

為提升產品的可維修性和可裝配性性能，基于產品的三維模型，在虛擬環境下開展維修性與裝配性仿真，利用快速上肢評估（Rapid Upper Limb Assessment,RULA）、快速全身評估（Rapid Entire Body Assessment,REBA）等方法，對產品的可裝配性、可維修性、操作舒適性等指標進行量化評估，提前釋放研制風險。通過仿真，可以檢驗設計方案是否滿足規定的維修性、裝配性指標要求，裝配過程是否方便可行，及時發現和改正設計中存在的問題，并根據仿真情況進行相應的優化設計，提高產品的可維修性和可裝配性性能，縮短研制周期，提升產品性能。

3.4 模型發布

模型發布是把設計和工藝端的三維模型通過網絡在生產現場的客戶端上展示出來，是實現全流程貫通的最后一環。從平臺及軟件角度，建立各異構軟件之間三維模型數據傳遞、更改快速傳播的接口，實現設計、工藝、制造各環節的研制全過程模型連續傳遞。

工藝設計完成后，工藝設計管理系統可自動按需生成各種形式的工藝規程文件，并向生產現場的無紙化系統發布全套的三維工藝，適應不同的生產需求。采用基于Web Service的多系統集成技術，把高精度的三維模型保存在服務器上,生產現場客戶端的三維瀏覽器只提供大幅精簡后的輕量化模型[11]，解決數據格式多樣、源模型數據量大、傳輸速度慢等技術難題，有效提高現場工藝查看的效率。

制造現場通過無紙化客戶端，根據設計圖號或生產令號快速查看設計文件和工藝文件，可對輕量化后的模型進行縮放、平移、旋轉和測量、統計等交互操作，實現無紙化生產。

4 應用成效

以某民用氣象雷達（圖8）為例，其分系統達數十類，零部件數量上萬，元器件數量更是在百萬量級，生產過程跨工種、跨部門，工藝流程復雜，是一個典型的復雜電子裝備。

圖8 典型復雜電子裝備

在項目實施過程中，采用基于模型的全三維結構設計（包括Top-Down協同設計[20]、三維標注、模型簡化、模型檢查和三維布線布管）、全三維工藝設計與管理（包括全三維工藝管理、機電混裝裝配工藝規劃和基于柔性建模的零件工藝模型快速設計）、多學科協同仿真及仿真綜合管理（包括力學仿真、熱學仿真、維修性與裝配性仿真等）、無紙化發布及制造等全流程貫通技術，實現了統一模型在設計、工藝、仿真、制造各階段的連續傳遞與貫通應用。模型在研制過程中的連續傳遞如圖9所示。

圖9 研制全過程模型連續傳遞

項目采用上述技術后，設計差錯大幅減少，實物驗證減少了40%以上，研制周期縮短了約25%，顯著提高了產品的質量和核心競爭力。

5 結束語

本文針對復雜電子裝備研制過程中存在的結構、工藝、仿真和制造等多專業研發系統孤立、數據源不統一、三維模型未全流程貫通等問題，提出了面向復雜電子裝備的結構與工藝全流程集成研發新模式。對面向復雜電子裝備的研發體系構建、模型定義、模型傳遞、協同仿真、三維工藝向生產現場發布使用等關鍵技術進行了深入研究，并通過實例進行了應用驗證。結果表明，實現基于統一三維模型的復雜電子裝備結構設計、工藝設計、協同仿真和制造檢驗的全流程貫通，對縮短復雜電子裝備的研制周期、提高裝備質量、提升產品核心競爭力、推進復雜電子裝備研發模式創新等均具有重要意義。實現基于三維模型的復雜電子裝備結構設計、工藝設計、仿真和制造的全流程貫通及工程應用，是復雜電子裝備結構工藝樣機研發模式發展的重要方向。