基于EBOM 的航空發動機設計構型單臺管理方法研究

羅海東，陳芝來，肖金彪

（中國航發湖南動力機械研究所基礎技術研究部，株洲412002）

0 引 言

航空發動機研制過程中，需要完成多臺份技術驗證機、工程驗證機和原型機的設計與試制。不僅零部件數量多，涉及整機、部件、組件、零件等不同層次，而且在研制過程中工程更改頻繁。目前國內航空發動機行業中各個主機研究所通常采用傳統的目錄管理模式，即通過“自底向上管理”的方式進行產品結構定義，再采用“目錄明細表”對設計構型進行管理，一個型號發放一套零件目錄、部組件目錄和部組件明細表，作為工廠組織生產和裝配的依據；當部分零件的構型發生更改時，需要逐級追溯至組件、部件甚至整機，再采用更改單或技術通知單的形式，明確對不同狀態、不同批次零件的處理。近年來，隨著產品數據管理（PDM）系統的普遍應用，部分航空發動機研究所已在信息化試點型號研制中取消目錄明細表，實現了全工程物料清單（Engineering Bills of Material，簡稱EBOM）發放與管理，即一個型號建立一個整機EBOM。但是，對于零件構型變化的更改，或存在不同構型方案時，大多沒有應用PDM 系統的有效性配置功能生成不同構型發動機的單臺份EBOM 進行管理，仍然無法實現設計構型的實時準確定義，且管理效率低下。

構型管理的核心就是維護產品數據在整個生命周期不斷演變的動態結構。一個產品最初被設計出來時，在PDM 系統中只有一個產品結構。隨著設計改進或者客戶需求變化，會派生出含有多個型別的型號系列，產品結構相應地擴展為一棵“產品結構類”樹，即“超級 EBOM”，它包含了產品各型別的所有零部件組成，然后通過PDM 系統的有效性配置功能將產品各種構型和版本的設計數據進行關聯及管控。國內外飛機行業，為了便于構型管理實施和更改控制，采用了基于模塊化設計思想，從設計和制造角度將產品劃分成合適的單元（即構型項），將產品結構進行扁平化，然后基于構型項對不同構型進行有效性定義，從而實現每一臺份產品設計構型的準確和清晰定義。飛機行業基于EBOM 的有效性配置管理思想可以為航空發動機實施構型管理提供借鑒，但由于采用的PDM 系統具體類型存在差異，具體做法不能完全適用。

本文通過分析傳統的產品結構定義及管理模式存在的弊端，總結WZ16 發動機和EC175 傳動系統對外合作取得的構型管理相關工作成果，結合Teamcenter 系統（航空發動機行業內常用的PDM軟件）的數據模型和產品結構管理功能，提出實現航空發動機單臺EBOM 管理的方法，包括“CIDS-Part”產品結構定義方式、構型項劃分及EBOM 構建、更改及有效性配置，以及單臺份構型定義等具體內容，并對某型民用渦軸發動機構型管理進行初步驗證。

1 傳統產品結構定義及管理模式

航空行業傳統的產品結構定義及管理模式是：將零件、組件、部件/系統自底向上地進行裝配，形成整機數字樣機，再編制發布整機、部件/系統的“三大目錄”（零件目錄、部組件目錄和部組件明細表）對發動機的產品結構組成進行管理。產品結構定義模式如圖1 所示。

圖1 傳統產品結構定義架構Fig.1 Architecture of the traditional product structure definition

在這種設計模式中，下級零組件之間的裝配關系直接在直屬上級部組件的三維模型和二維圖樣中表達，各部件和整機的數據模型版本（含三維模型及二維裝配圖）都需要凍結發布。當各部件總成下屬的組件換號更改時，需要逐級往上追溯，并“同步”更改“三大目錄”。因此，往往存在一個零件換號導致部件/系統、甚至整機數據模型換號的情況，“三大目錄”也很難做到及時同步更新，更改頻繁。

2 WZ16 發動機管理模式

WZ16 發動機按照透博梅卡公司的方法，基于“模塊化”的思想劃分了構型項，構型項采用“構型號”進行標識，構型項的設計圖樣采用“設計圖號”進行標識，即“構型號”和“設計圖號”分離，然后通過構型定義文件（相當于構型清單）明確每一臺份發動機的構型（即各構型項的“構型號”所對應的“設計圖號”）。主要特點有如下四點。

（1）“設計圖號”是設計構型和制造實物的唯一標識，即件號；“構型號”只相當于產品分解結構編碼，當發動機的構型項確定（結構方案確定）后不再改變，即構型更改通過設計圖號更改進行體現。

（2）構型項劃分為4 層，并逐級采用“構型號”進行標識，其中0 級為發動機（包括發動機本體和標牌）、1 級為發動機本體、2 級為單元體/系統、3 級為各單元體/系統下屬的不可拆分零組件。

（3）在 0 級、1 級和 2 級構型項的裝配圖樣中，采用“構型號”標識下屬的裝配零組件，示例如圖2所示；3 級構型項中的裝配圖樣中，采用“設計圖號”標識下屬的裝配零組件。

圖2 2 級構型項圖樣示例Fig.2 Example of the 2 level configuration item drawing

（4）在不同臺份發動機的構型定義文件中，明確“構型號”與“圖號”及其版本、數量等之間的關系，3 級構型項以下的零組件不在構型定義文件中體現。

采用這種模式的主要優點有以下兩項。

（1）能有效降低構型項裝配圖樣的更改頻率。當2 級及以下構型項的“3FI”發生改變，導致對應的設計圖樣發生換號更改時，由于構型號不變，從而上一級構型項的裝配圖樣不需要同步更改。

（2）便于實施單臺份管理。構型號不變，通過在每一臺份發動機構型定義文件中明確構型號所對應的具體設計圖號及版次，便于實施設計構型的單臺份管理。

但是，由于WZ16 發動機沒有在PDM 系統中采用EBOM 管理，每一臺份發動機的構型不是通過有效性配置實現，而是通過“人工”進行狀態清理和定義，管理效率偏低，無法滿足目前的信息化要求。

3 EC175 傳動系統管理模式

EC175 傳動系統按照空客公司的方法，應用PDM 系統進行產品結構定義與管理，如圖3 所示，產品結構分為構型層和設計層。構型層由構型項組成，構型項分為 ICI（不可變構型項）、VCI（可變構型項）和 LINK CI（連接構型項），其中 ICI 為構成產品基本結構的固有組成，下面不掛設計數據；VCI 是進行有效性配置和控制的對象；LINK CI 用于表達各同級CI 之間的裝配關系并管理連接件和小零件，也屬于VCI。設計層由VCI 和LINK CI對應的“D 節點”（設計節點），以及構型項的設計模型/圖樣組成。“D 節點”的作用主要是實現構型層和設計層的權限分離，即“D 節點”及設計模型/圖樣由設計人員管理，構型項由構型人員管理。最初的EC175 采用VPM 系統管理時，并沒有“D節點”，而是將 VCI 分為“構型管理 VCI”和“設計VCI”。本文借鑒 EC175 模式采用 Teamcenter 管理時，采用了“D 節點”。

圖3 EC175 產品結構定義架構Fig.3 Product structure definition architecture of EC175

這種模式的主要優勢有以下三項。

（1）由于ICI 研制階段不發布凍結，當VCI 的構型發生變化或者產生新構型時，可以直接在EBOM 中將原VCI 換號更改或者創建新的VCI，并對同級的LINK CI 進行同步更改，而不需要再對上一級ICI 進行修訂更改。

（2）簡化了有效性管理的粒度。將VCI 作為有效性管理與配置對象，相比于傳統的以零件級作為管理對象，極大地簡化了有效性管理的粒度。

（3）便于實施單臺份管理。VCI 的構型更改時，換號、產生新構型項，通過在EBOM 中定義不同VCI 對不同臺份發動機的有效性，能實現發動機單臺份管理。

EC175 合作項目中，整機的產品數據及單架次構型配置主要由空客公司負責。而且，由于沒有采取“構型號”和“設計圖號”分離的方式（即VCI沒有單獨的“構型號”，其編號就是設計圖號），VCI發生換號更改時，其上級LINK CI 的裝配圖樣也需同步更改。

4 基于EBOM 的發動機單臺管理方法

EC175 傳動系統的管理模式能夠實現飛機單架次管理，但無法直接適用于Teamcenter 系統。因此，需要結合Teamcenter 的數據模型（Item）和產品結構管理功能，對EC175 傳動系統的產品結構定義方式進行改進，并融合WZ16 發動機管理模式的優點，形成一種適用于航空發動機的EBOM單臺管理方法。

4.1 “CI-DS-Part”產品結構定義方式

根據 Teamcenter 的 Item 類型，參考“CI-LRDP”方式和“CI-LO-DS”體系，將適用于發動機的產品結構定義方式命名為“CI-DS-Part”。其中，“CI”是構型項，主要通過產品功能和結構分解進行確定，相當于功能意義上的產品“組成”，不是物理實體；“DS”即“Design Solution”的簡稱，是“CI”的設計方案，當一個CI 存在多種構型方案時，相應地對應多個DS；“Part”是構型項每種設計方案的物理實現，即“CI”某個“DS”的設計模型/圖樣。其主要特點有如下三項。

（1）產品結構定義的架構與EC175 傳動系統基本類似，分為頂層、配置層和設計層。

（2）頂層CI 構成產品結構的頂層，其裝配關系在下一級的連接CI 中表達；底層CI 及其DS 構成配置層，頂層和配置層構成發動機的構型樹。CI和DS 在PDM 系統中的數據模型都是虛節點，沒有設計圖樣信息，CI 主要用于創建型號（或系列化型號）的構型樹，DS 用于CI 不同構型的有效性配置。

（3）Part 構成產品結構的設計層，在 PDM 系統中的數據模型為物理節點，用于管理CI 某個DS 的設計模型/圖樣，以及構型項下屬零組件的設計模型/圖樣。

例如，某型民用渦軸發動機在不同臺份的工程驗證機研制中，采用了單油路噴嘴和雙油路噴嘴兩種不同的構型，分別是不同的底層CI，在Teamcenter 系統中應創建兩個“ECI”；而在單油路噴嘴中，又存在多種不同的設計方案，分別是底層CI 的不同DS，在單油路噴嘴ECI 下創建兩個“EDS”。頂層 CI 在 Teamcenter 中的 Item 類型為“ETOP”，底 層 CI 和 連 接 CI 為“ECI”，DS 為“EDS”，Part 為“零組件”。

4.2 構型項劃分方法

構型項作為構型管理的基本單元與有效性定義對象，是進行產品結構定義和實現單臺份配置的關鍵，其劃分需考慮模塊化設計、系列化發展、更改控制，并綜合項目管理、綜合保障以及用戶需求等因素。構型項應具有較穩定的接口特性，下屬零組件的更改一般不會導致其互換性受影響。對于更改比較頻繁，或者需要進行單獨更改控制的零組件，一般單獨劃分為構型項。航空發動機研制中，一般將以下項目作為構型項：外場可更換單元；用戶在發動機研制合同、產品需求文檔中有明確要求的項目；單獨采購和交付的成附件；研制風險比較大，或者對發動機的壽命、安全等有重要影響的零組件；對發動機壽命、可靠性等有重要影響的小零件，如轉子間的連接、鎖緊螺栓螺母等。

構型項按層級分為整機、單元體、部件和零組件級，其中最底層的零組件級構型項所對應的物理實體一般是具有獨立功能、需檢驗入庫的零組件，對應于產品結構定義中的“底層CI”。除此之外的上級構型項，對應于“頂層CI”。

某型民用渦軸發動機目前已完成整機構型項劃分及設計，并按產品結構定義方式在PDM 系統中構建整機的EBOM（即“超級EBOM”），如圖4所示。

圖4 某型民用渦軸發動機產品結構定義架構Fig.4 Product structure definition architecture of one turboshaft engine

4.3 更改及有效性配置方法

在 Teamcenter 中按照“CI-DS-Part”產品結構定義方式完成航空發動機的整機EBOM 構建后，其相應的更改及有效性配置方法如下：

（1）設計層的Part 發生換版更改時，直屬父級組件可不同步更改，默認最新版有效；發生換號更改或新增零組件時，應根據對父級節點的互換性影響，逐級向上追溯采取相應的更改形式，直到底層 CI 所對應的 Part。

（2）底層CI 對應的Part，構型發生更改時，其設計圖樣及DS 應換號，同層級的連接CI 只需同步更新模型即可，裝配圖樣可不更改。

（3）底層CI 如果更改前的構型不再使用，則將DS 從產品結構中移除；如果需繼續使用，則應用“事例有效性”配置方法，分別配置更改前后DS對不同發動機臺份的有效性。例如，根據某型民用渦軸發動機不同臺份產品的研制目的，針對單油路噴嘴底層CI 下不同的設計方案，在各個DS 上配置有效性適用范圍。

（4）當發動機的結構進行比較大的調整，需要產生新的CI 時，創建頂層CI 和/或底層CI 及其DS，在“產品結構管理器”中建立相應的裝配層級關系，然后應用“事例有效性”配置新增底層CI 的有效性。例如，針對某型民用渦軸發動機驗證單油路噴嘴和雙油路噴嘴兩種構型的不同臺份產品，配置兩個底層CI 的有效性適用范圍。

（5）完成配置后，在EBOM 中設置整機頂層CI的單元編號，過濾生成單臺份發動機的EBOM，然后編制單臺份發動機的構型清單并發布凍結，作為單臺份發動機裝機和管理依據。

4.4 單臺份構型定義

按圖4 所示的產品結構定義方式在PDM 中創建的EBOM 為“超級EBOM”，包含發動機（或同系列發動機）不同臺份研制過程中的所有構型數據。根據不同構型數據的適用范圍完成有效性配置后，過濾生成每一臺份發動機的EBOM，從而實現每臺份發動機的構型定義，并可以根據制造單位需要編制單臺份構型清單。

例如，某型民用渦軸發動機的第1～3 臺發動機裝單油路噴嘴方案一，第4～8 臺發動機裝單油路噴嘴方案二。在單油路噴嘴CI 對應的兩種DS上采用“事例有效性”配置方法分別設置有效性適用范圍為“1～3”和“4～8”，然后設置發動機的具體臺份后，可以快速地生成對應臺份的單臺EBOM。第6 臺發動機的單油路噴嘴設計構型如圖5 所示，為方案二。

圖5 單臺份EBOM 示例Fig.5 Example of single EBOM

某型民用渦軸發動機目前處于工程驗證機研制階段，按照每年度構型管理工作計劃安排，從構型項劃分、PDM 系統中整機EBOM 建立、底層CI或DS 更改有效性配置，到單臺份發動機的設計構型定義等，對基于EBOM 的單臺管理方法進行了全方位的初步驗證，并已在部分臺份產品加工試制中實現了單臺份設計構型數據發放。初步取得的成效表明，應用該方法能有效提高設計構型的管控效率和準確性。

5 結 論

（1）本文系統地總結了WZ16 發動機和EC175 傳動系統的構型管理對外合作經驗，研究了Teamcenter 系統的有效性配置功能，融合EC175 傳動系統產品結構定義方法，以及WZ16 發動機構型項裝配圖樣表達和單臺份構型定義方法，提出了一種基于EBOM 的單臺管理方法，并在某型民用渦軸發動機構型管理工作中進行了初步的驗證。

（2）一個型號建立一個“超級EBOM”，再通過應用配置功能定義構型項不同方案的有效性，過濾生成每一臺份發動機的EBOM 及構型清單，能有效提高構型定義的“清晰度”、降低更改頻次和控制難度。