飛機可配置數字樣機敏捷構建方法研究與應用

李 強，趙 攀

（中國航空工業集團公司第一飛機設計研究院，陜西 西安 710089）

1 引言

隨著計算機建模技術、產品數據管理技術和多學科協同設計技術等數字化產品研制新技術的發展，數字樣機技術在航空航天以及其他工程領域的應用越來越普遍。數字樣機技術的應用在飛機的設計、仿真及制造等領域取代了基于物理樣機試驗驅動的傳統研制模式，形成了仿真驅動的數字樣機設計流程，極大提高了工作效率，縮短了型號研制周期。

隨著數字樣機技術在飛機研制全生命周期過程中的廣泛應用，數字樣機的種類越來越多。按研制階段分類，數字樣機可以分為一級樣機、二級樣機和三級樣機，一級樣機形成于飛機初步設計階段，用于支撐多方案設計迭代與選型；二級樣機形成于飛機詳細初步設計階段，用于支撐多專業設計協調；三級樣機形成于飛機詳細設計階段，用于支撐產品詳細設計和試制[1]。按產品結構分類，數字樣機可以分為結構樣機、系統樣機、分區樣機和全機樣機。按樣機用途分類，數字樣機可以分為仿真樣機、工藝樣機、培訓樣機和服務保障樣機等。按樣機構建目的、構成要素分類，數字樣機可以分為幾何樣機、功能樣機和性能樣機[2,3]。

數字樣機技術在飛機型號研制的應用越來越廣泛和深入，但是仍存在以下幾方面的問題：

1）產品結構組織形式單一。在特定的飛機研制階段，基于一種或固定幾種產品結構樹開展研制工作，組織形式單一。隨著數字樣機應用范圍的擴大，仿真樣機、培訓樣機和服務保障樣機等專用樣機的構建需求越來越多樣化、個性化，單一的產品結構組織形式無法滿足不同角色的設計、管理人員根據工作的個性化需求精確、快速獲取數字樣機。

2）產品結構組織方式不統一。不同型號的產品結構組織方式不一致，有些型號按照ATA100規范組織，有些型號按照部段、系統相結合的方式組織。設計、管理人員同時參與多個型號時，需要學習、適用多種組織方式，PDM系統開發維護人員需要對多種產品結構進行開發維護，給型號設計、管理帶來諸多不便。

3）研制階段轉換工作量大。飛機設計一般經歷方案設計階段、詳細初步設計階段、詳細設計階段，在不同階段產生的數據雖然有所不同，但是相鄰的階段之間數據具有繼承性與傳遞性，階段的轉換是平滑過渡。目前在階段轉換時，通常將設計數據重新保存、重新編號，工作量大，而且新編號的數據與原數據的追溯關系往往難以追蹤，此外相同的數據采用不同的編號會產生大量冗余數據。

4）三維模型格式單一。目前三維模型主要采用CATIA軟件設計，PDM系統中管理的三維模型為CATIA軟件保存的原格式模型。型號研制過程中通常要做大量的多專業設計協調、干涉檢查和電子樣機評審等工作，涉及的模型數目較多，采用CATIA格式的模型占用空間較大，協調效率較低，迫切需要輕量化格式的模型。

本文以某飛機研制過程為背景，詳細描述了數字樣機的構建過程，提出了一種數字樣機多視圖敏捷構建方法，采用產品數據模塊化管理和分層管理方法，從區域、部段和系統等維度構建統一的產品結構，提供CATIA格式和輕量化格式的多種設計模型，形成可以根據不同業務需求，準確快速構建不同種類的數字樣機的能力，滿足飛機研制不同階段的數字樣機需求。

2 總體思路

為簡化飛機產品結構樹定義與管理，滿足飛機不同研制階段多樣化的數字樣機構建需求，采用產品數據模塊化管理和分層管理方法，構建多種類型的管理視圖，實現多維度快速獲取設計模型，總體思路如圖1所示。

圖1 可配置數字樣機構建

產品結構樹分為兩層，即管理層和設計層。管理層實現對數字樣機模型的組織，可以按照系統、區域、構建目的、構成要素等維度劃分，每個維度可以劃分多個層級。設計層由具體的數字樣機模型組成，采用模塊化管理思想，構建飛機設計模塊庫，作為數字樣機模型的唯一數據源。在飛機研制過程中，對數字樣機組織管理的需求是復雜多變的，因此管理層是隨著使用場景的變化動態變化的，而構成設計層的設計模塊庫是唯一的、同源的。在構建產品結構樹時，管理層與設計層分別構建，最后構建管理層與設計層的關系。通過管理層與設計層的分離，降低兩者之間的耦合度，提高產品結構樹管理的靈活性。

在飛機研制過程中，基于數字樣機的使用場景，包括干涉檢查、維修性分析、運動機構分析和培訓演示等，每一種場景獲取設計模型的需求可以分解為一組過濾條件。通過在產品結構樹管理層選取對應的過濾條件，將每個過濾條件關聯的設計模塊集合取交集，可以快速得到一組過濾條件對應的設計模型結果。

3 關鍵技術

3.1 產品結構樹分層管理

構成數字樣機產品結構樹的元素分為兩類，一類是設計模型，另一類是用于組織管理設計模型的虛擬節點，因此將產品結構樹分為設計層和管理層。

管理層不涉及設計模型的定義以及描述信息，是從數據組織、構型管理等維度構建的特定視圖，根據管理的顆粒度不同可以分層級劃分。管理層可以從多個維度定義，可以定義結構樣機的管理層，管理飛機的結構部件；可以定義系統樣機的管理層，管理飛機的組成系統；可以定義分區樣機的管理層，管理飛機的不同區域。每種管理層可以定義多個層級，如系統樣機的管理層中任務系統可以分為貨運分系統、空降分系統和空投分系統等。

設計層基于模塊化管理方法定義，將全機分解成一系列設計模塊，形成全機的設計模塊庫，通過對設計模塊和模塊內零部件的兩級管控，簡化管理模型[4]。在不同的設計階段，設計模塊的定義方法與原則不同，在方案設計階段，通常基于總體設計專業發布的外形、氣動布局定義結構和系統等專業的方案控制單元，進行多專業的方案設計協調。在詳細初步設計階段，結構、系統等專業基于方案階段的設計模型定義顆粒度較粗的設計模塊，進行多專業的占位協調。在詳細設計階段，飛機設計模塊定義要從設計、制造和服務保障多個維度綜合考慮[5]。為確保模塊定義的合理性和靈活性，工藝工裝設計人員和服務保障人員要在設計階段就介入模塊定義工作，將飛機設計數據、制造數據和服務保障數據進行模塊化定義，形成完整的飛機設計模塊庫[6]。

構建數字樣機的設計層數據除了數字樣機模型，還應該包括三維模型表達的產品信息，例如零部件結構、重量信息和材料尺寸信息等[7]，在詳細設計結束后，將產品信息與三維模型一起發布，供制造廠和后續飛機維護保障使用。數字樣機構建過程中通過與MCAD、ECAD等設計工具的集成，將三維模型表達的產品信息結構化提取，將提取結果與CAD模型、輕量化模型統一集中管理，形成單一數據源。

3.2 產品結構樹多視圖管理

基于產品結構樹分層管理的思想，管理層用于組織管理設計模型，多視圖管理本質上是對管理層的定義與管理。每一個確定的管理層，對應了一種產品結構樹的管理視圖。

在飛機設計、制造、使用、服務保障的整個生命周期過程中，不同階段的業務人員需要從不同的角度管理和使用數字樣機，因此需要定義多種視圖以滿足多樣的使用需求。

以詳細設計階段為例，將飛機管理層分為固定不變類和個性化定義類，實現可配置數字樣機管理層的靈活定義。固定不變類是根據國家標準或行業標準定義的管理層，例如按照飛機部段定義的管理層和按照飛機組成系統定義的管理層等。個性化定義類是根據特定的業務需求定義的組織數字樣機模型的管理層，例如起落架裝置維修性分析、座艙人機工程分析和環境控制系統培訓等。固定不變類管理層相對穩定，定義的時機一般為飛機設計階段，個性化定義類管理層定義的時機貫穿整個飛機生命周期。

固定不變類管理層定義應遵從單維度原則，即在一種管理層定義時僅考慮一種管理維度，例如按照部段或系統分別定義部段管理層、系統管理層。由于不同業務人員對數字樣機的管理需求不同，如果在管理層定義中引入多種管理維度，極易造成產品結構樹管理組織混亂，最終無法同時滿足不同業務人員的不同需求，業務人員的多樣化管理需求是基于固定不變類管理層通過個性化配置實現的。

根據飛機研制需求，定義區域、部段和系統等固定不變類管理層，構建固定不變類管理層信息庫，進行統一管理。基于固定不變類管理層信息庫，分析業務人員的管理需求，配置滿足管理需求的個性化定義管理層。固定不變類管理層統一了產品結構樹組織形式，降低了業務人員的學習成本和開發運維人員的開發維護成本。

此外，每個業務人員可以基于管理層信息庫，根據工作需求定義一個或多個工作視圖，實現對設計模塊的個性化管理。個人定制的管理視圖，實現了產品結構樹組織的個性化需求，提高了工作效率。

3.3 三維模型定制化轉換

設計模塊包含的設計模型分為CAD原模型和輕量化模型兩類。CAD原模型是通過MCAD、ECAD等設計工具設計的模型，包含完整的模型設計過程信息，占用存儲空間大。輕量化模型是對CAD原模型簡化后得到的模型，保留了設計模型的空間幾何信息。

不同工程應用場景對模型的要求不同，在數字化制造過程中的工藝設計、工裝設計等環節需要基于CAD原模型進行，因此要將CAD原模型發送到制造單位，支撐數字化制造。在進行全機總體協調、干涉檢查和培訓演示等工作時，不關注CAD原模型的建模過程，同時考慮到計算、渲染效率等因素通常采用占用存儲空間小、使用更方便的輕量化模型。

為滿足不同使用場景對輕量化模型格式、精度的需求，提供多種輕量化格式，例如3DXML、SMGXML、CGR和STEP等，提供按精度進行模型輕量化處理的能力，實現不同用戶個性化定制三維模型輕量化轉換需求。

3.4 數字樣機快速配置

建立飛機單一數據源是數字樣機快速配置的基礎，需要構建統一的管理層信息庫和設計層信息庫。管理層信息庫記錄固定不變類和個性化定義類的管理視圖，設計層信息庫記錄CAD模型、輕量化模型。

管理信息庫和設計信息庫構建完成后，需要構建管理層與設計層的關系，形成完整的產品結構樹。管理層與設計層關系構建過程分為兩類：固定不變類管理層與設計層關系構建、個性化定義類管理層與設計層關系構建。管理層中的固定不變類基于行業標準或規范，是相對穩定的，在創建設計模塊時即可確定與固定不變類管理層的關系。個性化定義類根據業務開展的時機不同，管理層與設計層關系構建時機是不確定的，因此要實現管理層與設計層關系在不同研制階段的創建與維護。

在飛機研制過程中，設計模塊會因客戶需求變更、產品設計缺陷、制造工藝或技術升級等原因發生更改，設計模塊更改后，要將與被更改設計模塊關聯的所有關系進行更新，以確保數字樣機數據的準確性。

基于統一的管理層信息庫和設計層信息庫，使得快速實現不同部門業務人員從不同視角和業務對數字樣機的需求變得清晰、簡潔。不同部門業務人員從不同視角和業務對數字樣機的需求，可以分解為對應于不同產品結構樹分支的過濾條件。通過查詢每個過濾條件與設計模塊的關聯關系，獲取每個過濾條件對應的設計模塊集，計算多個過濾條件對應設計模塊集的交集，最終得到一組過濾條件對應的設計模型集，從而實現不同業務需求對應數字樣機的快速獲取。

4 數字樣機應用

數字樣機是產品的數字化定義，是企業的重要工程數據，包含了產品的研發、生產和銷售等環節所需的產品信息，產品壽命周期中的每個階段都可以從定義的模型中提取出所需要的信息進行協同工作，以支撐飛機設計協同、樣機審查、培訓、服務保障等業務活動。

本單位根據型號研制業務需求，構建了大型飛機可配置數字樣機管理平臺，實現了飛機詳細設計階段按型號譜系、型號研制階段、樣機類型和飛機架次有效性等維度對數字樣機的管理，提供了不同應用場景中根據多個過濾條件快速獲取輕量化模型和CAD設計模型的平臺。平臺運行頁面如圖2所示。

圖2 數字樣機管理平臺運行頁面

數字樣機管理平臺為飛機數字樣機審查提供了數據源，數字樣機審查是數字樣機應用的典型案例，對全機數字樣機進行不同層級的干涉檢查、間隙檢查、運動分析、拆裝分析和維修性檢查等，在數字化環境中提前發現樣機中的問題，以減少問題在后續飛機研制中帶來的影響。

數字樣機審查涉及飛機的各個區域、系統，按照審查范圍不同可以分為全機審查、部段審查和區域審查等。審查時需要根據審查需求確定審查范圍，并獲取審查范圍內的設計模塊。根據審查范圍獲取設計模塊的過程可以轉換為根據配置條件從多個產品結構樹中動態過濾設計模塊的過程。例如需要對飛機航電系統在機頭區域設備的干涉檢查，過濾條件為系統樣機樹中的航電系統分支和結構樣機樹中的機頭分支，過濾過程為在系統樣機的結構樹中獲取所有航電系統分支下的設計模塊集與在結構樣機的結構樹中獲取所有機頭分支下的設計模塊集的交集。

基于數字樣機管理平臺，構建了包含審查內容規劃、審查對象定義、審查過程分析、審查結果管理、審查問題歸零和審查信息簽審的數字樣機審查管理體系。

5 結論

本文通過研究產品結構樹的分層管理、多視圖管理、數字樣機快速配置技術，提出了一種可配置數字樣機管理模式，降低了管理層與設計層的耦合度，簡化了產品結構樹的管理模型，提高了構建多種數字樣機的靈活性，為多種數字樣機獲取提供了豐富的過濾條件，滿足了不同部門業務人員在不同階段的多樣化數字樣機需求。可配置數字樣機管理模式，為滿足飛機研制過程中不同的數字樣機應用需求提供了擴展性強、靈活度高的解決方案，對在其他工程領域的應用也有一定的借鑒意義。