基于產品幾何技術規范（GPS）的航空發動機設計流程優化研究

文/李 悅

產品幾何技術規范（GPS）是為了達到產品功能要求所必須遵守的技術依據和產品信息傳遞與交換的基礎標準。[1]在國際標準中，國際標準化組織（ISO）相關GPS 標準體系是影響最廣、最重要的基礎標準體系之一，與質量管理（ISO 9000）、基于模型的定義（MBD）等重要標準體系有著密切的聯系，是實現數字化設計、檢驗與制造技術的基礎。

一、航空發動機研發模式現狀

我國航空發動機研制初期，由于技術認知和研制能力有限，在研發體系不完備的條件下開始了型號研制。傳統的航空發動機研制通常采用反復修正、反復迭代的研制模式。[2]我國社會經濟的發展和國防能力的提升，亟須優化航空發動機正向研發模式。GPS 不僅是基于產品形狀、位置精度和表面結構的設計表達，而且是基于產品功能要求的設計表達。其中，對偶性原理更體現了系統工程的需求與驗證的理念、并行工程協同研制的思想，把GPS 融入以需求為牽引的航空發動機正向設計流程中，將有助于加速航空發動機自主研制。

國家“十四五”規劃對我國當前的社會發展主要目標提出了更高的要求，當前階段正是國家高質量發展的關鍵時期。對于制造業，尤其是航空發動機產業，數字化轉型是關乎生存和長遠發展的必然選擇。航空發動機產業，對其系統的高度復雜性、研發的難度、產品幾何質量提出了更高的要求。早期，大部分工程師依然按照傳統的尺寸公差和形位公差的表達方式來標注圖紙。傳統的公差設計是通過查詢手冊或借助經驗來完成的，并沒有在公差與產品功能之間建立直接的聯系。這種標注方式容易使研究團隊在對產品圖樣進行理解時，產生分歧和推諉，嚴重影響了生產質量與生產周期。而GPS 的應用要求在產品設計之初就從功能出發，以滿足功能需求為目標進行公差設計，從而大大提高航空發動機產品結構的設計質量和效率。

二、發動機產品開發模型優化

1.GPS 融入基于系統工程的產品開發流程

GPS 以數學為基礎引入了“對偶性原理”，將設計與測量過程構成一個物像系統，把標準與計量用不確定度的傳遞關系聯系起來。借用物像對應原理，GPS 對規范設計階段和認證檢驗階段的特征值進行一致性比較，實現對偶性，從而解決由于測量方法不統一導致測量評估失控引起的糾紛。[3]對偶性模型（見圖1）在規范設計階段，設計工程師可以用表面模型對實際表面進行模擬，從而確定在滿足功能要求的前提下要素的最大偏差，用來指導公差設計；在認證檢驗階段，檢驗工程師將實際工件與表面模型進行對比，對與表面模型相對應的要素進行提取、集成和評估等操作，以確定實際工件的誤差大小，最后對表面模型和實際工件進行一致性比較，從而確定實際工件是否達到規范要求，能否實現零件的功能要求。

圖1 GPS 的對偶性模型

系統工程的核心是驗證和確認（V&V）。[4]基于系統工程的產品開發流程定義了產品開發團隊完成產品開發全過程，包括了概念、計劃、開發和驗證4 個階段（見圖2）。基于系統工程的正向研發流程縱向牽引著研發、制造、采購和質量等多個業務領域，使之并行協同地開展產品開發工作。這是一個包含需求分析定義、架構設計、需求分解、部件/子系統設計、結構開發、系統集成與驗證、最終成果驗收交付的過程。

圖2 結合對偶性模型的產品開發流程

GPS 是面向產品開發全過程而構建的控制幾何特征的一套標準，應將其融入航空發動機設計流程中。具體操作首先，提煉幾何公差設計與檢驗相關的活動，提取與當前產品開發程序中的相關活動。涉及的相關職能包括系統工程師、設計工程師、制造工藝工程師、質量檢驗工程師與試驗工程師。系統工程師根據市場、客戶和政府等多方面的外部需求，通過轉換形成原始需求清單；然后通過系統需求分析活動，按結構層級將需求層層分解；通過架構設計、功能設計，將系統需求進行分配，形成各部件子系統的研制規范。設計工程師通過部件/子系統設計和結構件開發的活動；最終，形成產品的全套圖紙與技術要求，在圖紙和要求中表達基于功能的幾何信息與公差信息，精確地表達產品的功能。

制造工藝工程師通過對產品圖紙與技術要求的理解能夠很好地解讀產品的功能要求，并加工出符合要求的產品。質量檢驗工程師根據圖紙對產品的要求，對實際加工出來的產品進行公差的測量與檢驗，有效判斷產品是否合格。試驗工程師根據結構層級制定試驗計劃，開展驗證與確認。

2.GPS 融入基于模型的設計、制造與檢驗過程

MBD 是指由精確幾何實體、相關3D 幾何、3D標注和屬性構成的數據集定義完整的產品定義，其核心是提供全面的產品定義作為協同設計、制造和檢驗的唯一授權數據。零組件數據集包括制造條件下或裝配條件下，以名義尺寸構建的幾何實體、零件坐標系、關聯幾何的尺寸、公差和標注、工程注釋、材料要求、管理數據、產品結構清單或相關數據（見圖3）。

圖3 GPS 應用于MBD 與檢驗

規范、統一、準確和完整的模型是執行并行協同設計和制造的基礎。如果不能準確地進行公差規范表達，會使得最終生產出的工件實體存在一定的偏差，甚至影響到模型的精度、干涉檢查、裝配和拆裝維修。因此，貫徹GPS，從功能需求出發規范表達產品制造信息（PMI）可以準確表達工件的工況。

在基于模型的制造階段，制造工藝工程師可以對原始模型進行增量建模操作來建立工序模型，在開展工藝設計的同時，可以通過開展工藝過程仿真，對生產能力進行評估；在基于模型的檢驗階段，可以使用原始理論模型與實體模型進行對比評估。

基于原始模型GPS 表達的基準，實體模型的檢測可選擇相應的裝夾方式；根據公差標注中的公差帶類型選擇測量方法，根據公差標注中的濾波和擬合方式選擇數據處理的方式，將檢測得到的誤差值與基于理論正確模型建立的公差帶區域對比評估得到檢驗結果。

3.構建GPS 知識庫與工具

在航空發動機研制中貫徹和應用GPS 系列標準勢在必行。由于該系列標準涉及大量的先進技術、先進理論，僅僅采用常規的貫標方法對相關技術人才進行培訓，不易達到良好的效果。因此需要利用現代信息化手段構建知識庫和開發軟件的工具，為標準的深入性應用奠定扎實的理論基礎和技術保障。

①構建基礎產品技術規范知識庫

GPS 系列是由全局、基礎、通用和補充四大類約200 多個標準組成。這些標準定義了基本原則和基礎術語，并規范了幾何公差、尺寸公差、表面結構精度的標注和圖示、理論定義、特征定義、誤差判定、測量設備要求和評定要求等。這些標準在應用的過程中需要借助企業標準資源庫，對相關標準進行收集更新及查詢管理。

②構建公差設計與標注工具

基于GPS 給出的設計規范的相關要求，在相關產品計算機輔助設計軟件（CAD）中嵌入公差設計工具，如西門子公司的Siemens NX 軟件。該工具可將GPS 標準中的基準標注方式和公差標注給出相關的使用指南，按步驟給出選擇。

③構建誤差檢查與評估工具

該工具可與三坐標測量機、高精度圓度儀、光學測量儀等電子測量系統集成運行。基于GPS給出的測量過程包括要求、一起的選擇、定標與量值傳遞的方法，與設計規范相關聯的評定技術，輔助誤差的檢測與評定。

三、總結與展望

GPS 是將產品設計的幾何規范與計量認證相結合的系統化標準體系，具備可操作性強、先進科學等特點，其優越性毋庸置疑。航空發動機研制任務的嚴峻形勢和對正向產品研制的要求，使得應用GPS 標準勢在必行。在航空發動機設計中應用GPS 需要將設計流程、設計標準、設計工具3 個方面相結合，將產品幾何技術規范的理念融入設計流程中，將幾何公差設計的要求融入MBD中，將相關理論和知識、符號融入知識庫與工具中。

在航空發動機設計中應用GPS 最關鍵的地方是如何把功能需求根據發動機架構層層分解到零組件，并將分解到零組件上的功能要求設計到具體的要素的要求中。在推廣應用GPS 的過程中，我們需要結合航空發動機常見類型的功能需求，將相關需求分解到典型結構中，總結并優化典型結構的設計經驗與設計規范，強化并促進GPS 的應用實施的落地。