◎中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心 彭小波 王悅 王福忠 徐國麗 鄧云飛

面向全生命周期的復(fù)合材料產(chǎn)品高效協(xié)同開發(fā)模式

◎中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心 彭小波 王悅 王福忠 徐國麗 鄧云飛

針對面向全生命周期復(fù)合材料產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝協(xié)同研制模式在某產(chǎn)品的實(shí)施進(jìn)行了探討。通過探索基于模型的企業(yè)模式、建立數(shù)字化工具平臺、編制協(xié)同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等，實(shí)現(xiàn)了全生命周期研制過程項(xiàng)目管理的數(shù)字化、作業(yè)過程的標(biāo)準(zhǔn)化、研制流程的精細(xì)化，有效提高了產(chǎn)品研制效率，確保了產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)。

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，當(dāng)今產(chǎn)品制造正由傳統(tǒng)的串行工程向著多學(xué)科、多專業(yè)、跨系統(tǒng)、跨地域并行協(xié)同研制模式轉(zhuǎn)變。在協(xié)同研制模式下，要求設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品的全生命周期內(nèi)充分考慮多個系統(tǒng)和專業(yè)之間的協(xié)同耦合關(guān)系，并運(yùn)用先進(jìn)的信息手段和管理方法最大限度地減少設(shè)計(jì)反復(fù)，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備和制造時間。

復(fù)合材料產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造是當(dāng)今飛行器研制的關(guān)鍵技術(shù)之一，對減輕飛行器結(jié)構(gòu)質(zhì)量、提高飛行器性能起到非常重要的作用。國際上技術(shù)領(lǐng)先的飛行器，如波音787和空客A350客機(jī)的復(fù)合材料使用率均超過了50%，并且在產(chǎn)品研制過程中大量采用數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)和精益管理模式，取得了令人矚目的成就。在航天器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，復(fù)合材料的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，多種航天器的重要結(jié)構(gòu)件大量采用復(fù)合材料。

2014年初，中國航天科技集團(tuán)公司責(zé)令中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心在一年之內(nèi)牽頭完成某復(fù)合材料產(chǎn)品的研制任務(wù)。復(fù)合材料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料設(shè)計(jì)同步、結(jié)構(gòu)成型與材料制造同時完成，從而決定了構(gòu)件設(shè)計(jì)—材料—工藝三者密不可分，在研制過程中必須實(shí)施設(shè)計(jì)、分析、制造和管理的集成。

傳統(tǒng)的產(chǎn)品研制模式多局限于金屬結(jié)構(gòu)、單個生命階段，且存在數(shù)字化技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)管理應(yīng)用程度不高、數(shù)據(jù)源不統(tǒng)一、技術(shù)狀態(tài)難管控、周期長等問題，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料產(chǎn)品對設(shè)計(jì)制造高度集成研制的目標(biāo)，難以滿足預(yù)研產(chǎn)品項(xiàng)目快、好、省的研制要求。因此，迫切需要改革原有的科研生產(chǎn)組織模式，通過應(yīng)用復(fù)合材料基于模型定義（MBD）設(shè)計(jì)技術(shù)和集成產(chǎn)品開發(fā)模式來保證產(chǎn)品的交付時間及質(zhì)量。

在研制過程中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新實(shí)踐管理模式，以新型航天產(chǎn)品研制需求為牽引、實(shí)現(xiàn)全生命周期復(fù)合材料產(chǎn)品精益研制為目標(biāo)，融合航天航空技術(shù)，探索實(shí)施復(fù)合材料產(chǎn)品研制管理模式，編制產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、維護(hù)、管理等全生命周期標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，固化基于模型的企業(yè)（MBE）面向全生命周期三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化流程并應(yīng)用到產(chǎn)品的具體研制中，顯著縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造周期。

一、協(xié)同開發(fā)模式的建設(shè)與實(shí)踐

航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，逐步從二維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)入三維設(shè)計(jì)，從金屬結(jié)構(gòu)串行研制逐步轉(zhuǎn)入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)集成研制的時代，保障了多個航天型號產(chǎn)品的成功，取得了巨大的進(jìn)步。但由于當(dāng)前多個設(shè)計(jì)單位的復(fù)合材料產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)仍局限在設(shè)計(jì)階段，產(chǎn)品制造過程中仍采用二維工藝卡片、模線、樣板等模擬量進(jìn)行傳遞，導(dǎo)致設(shè)計(jì)制造過程中存在數(shù)據(jù)源重復(fù)、對工人經(jīng)驗(yàn)依賴性強(qiáng)的問題，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料產(chǎn)品對設(shè)計(jì)制造高度集成的目標(biāo)，一定程度上制約了研制效率的提高。

國際先進(jìn)的企業(yè)目前采用構(gòu)造基于知識的工程（KBE）資源庫，建設(shè)基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）的協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境，以實(shí)施MBE的設(shè)計(jì)制造一體化模式作為解決方案，從而降低研制成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。為此，項(xiàng)目組通過借鑒國際先進(jìn)技術(shù)，針對航天復(fù)合材料產(chǎn)品特點(diǎn)采取了一系列措施，實(shí)踐了高效研制產(chǎn)品開發(fā)模式。

1．開發(fā)KBE協(xié)同設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資源庫

在基礎(chǔ)資源庫建設(shè)方面，項(xiàng)目組通過建設(shè)KBE協(xié)同設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資源庫并定制到協(xié)同設(shè)計(jì)平臺，為實(shí)現(xiàn)知識工程模式下快速設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。通過某項(xiàng)目結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)協(xié)同研制實(shí)踐，建立了知識管理系統(tǒng)，包括各種設(shè)計(jì)模板，如MBD三維建模模板等；各種設(shè)計(jì)資源庫，如復(fù)合材料信息庫、積木式試驗(yàn)許用值數(shù)據(jù)庫、成品件庫、電接插件庫等；以及設(shè)計(jì)支撐知識，如《集成產(chǎn)品開發(fā)模式管理》、《先進(jìn)制造技術(shù)解讀》等。

2．建立結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺

在協(xié)同設(shè)計(jì)支撐平臺方面，項(xiàng)目組按照全生命周期產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)支撐環(huán)境、幾何樣機(jī)軟件子系統(tǒng)、功能樣機(jī)軟件子系統(tǒng)、試驗(yàn)樣機(jī)軟件子系統(tǒng)、維護(hù)樣機(jī)軟件子系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)集成管理，解決了傳統(tǒng)模式下不同軟件之間集成性差、關(guān)聯(lián)性弱、管理難等問題，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化資源有效利用的最大化和一種精益管理模式。

3．編制全過程協(xié)同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

在設(shè)計(jì)過程標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)方面，項(xiàng)目組初步建立了三維協(xié)同設(shè)計(jì)規(guī)范體系，涵蓋設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、制造規(guī)范、積木式試驗(yàn)驗(yàn)證、項(xiàng)目管理、協(xié)同機(jī)制和設(shè)計(jì)資源管理等內(nèi)容，制定了《復(fù)合材料鋪層規(guī)范》、《復(fù)合材料分析準(zhǔn)則》、《復(fù)合材料制造要求》、《復(fù)合材料積木式試驗(yàn)驗(yàn)證規(guī)范》等4個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范族，為產(chǎn)品構(gòu)型和技術(shù)管理奠定了基礎(chǔ)，促進(jìn)了全生命周期內(nèi)量化設(shè)計(jì)管理與監(jiān)控，提升了數(shù)字化設(shè)計(jì)知識的可積累性和傳承性。

4．探索面向全生命周期的MBE開發(fā)模式

在項(xiàng)目管理方面，針對復(fù)合材料產(chǎn)品研發(fā)過程復(fù)雜、系統(tǒng)龐大、協(xié)作面廣、研制周期緊張等特點(diǎn)，項(xiàng)目組基于自身現(xiàn)有信息化能力條件，運(yùn)用系統(tǒng)工程思維對并行模式下復(fù)合材料產(chǎn)品的方案論證階段、樣機(jī)研制階段、集成演示階段全過程研制流程進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，不同產(chǎn)品之間的研制資源可根據(jù)不同成熟度階段人力需求進(jìn)行合理調(diào)配。采用MBE管理方法，圍繞產(chǎn)品三維模型采用集成產(chǎn)品開發(fā)模式，針對不同產(chǎn)品生命周期，聯(lián)合多個職能部門和專業(yè)按照系統(tǒng)合理的頂層設(shè)計(jì)規(guī)范及協(xié)同研制管理流程，使用數(shù)十個數(shù)字化專業(yè)軟件開展高效協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)研制過程中數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一。管理模型和方針路線見圖1和圖2。

在技術(shù)管理方面，通過對三維數(shù)字模型定義研制實(shí)踐的深度總結(jié)提煉，探索實(shí)施全生命周期MBE技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了基于模型的數(shù)字化虛擬檢測和基于模型的虛擬裝配作業(yè)指導(dǎo)，將格式多樣、關(guān)系復(fù)雜的設(shè)計(jì)、制造、檢測過程定義數(shù)據(jù)以三維動畫的形式展現(xiàn)到生產(chǎn)現(xiàn)場并與設(shè)計(jì)模型關(guān)聯(lián)，易于現(xiàn)場操作人員直觀理解和執(zhí)行，有效解決了設(shè)計(jì)模型在生產(chǎn)線仍需制作工藝卡片、對操作人員的經(jīng)驗(yàn)和素質(zhì)依賴性強(qiáng)、難以動態(tài)調(diào)整、更改難貫徹等問題，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)虛擬世界和物理世界的連接。

5．應(yīng)用MBD復(fù)合材料專業(yè)的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法

在設(shè)計(jì)方法方面，項(xiàng)目組充分考慮專業(yè)背景的影響，在產(chǎn)品的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)中依托協(xié)同設(shè)計(jì)平臺，運(yùn)用集成產(chǎn)品開發(fā)手段，使得復(fù)合材料產(chǎn)品制造、試驗(yàn)的配套單位直接參與產(chǎn)品的協(xié)同設(shè)計(jì)。在復(fù)合材料產(chǎn)品三維模型數(shù)據(jù)集中預(yù)先定制制造和試驗(yàn)部門的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)人員將產(chǎn)品全生命周期過程中的技術(shù)要求與工藝參數(shù)，包含各種幾何與非幾何信息統(tǒng)一集成到MBD數(shù)字模型，作為技術(shù)狀態(tài)控制和信息傳遞的唯一數(shù)據(jù)源。

圖1 面向全生命周期多項(xiàng)目研制管理模型

圖2 項(xiàng)目實(shí)施總體思路

例如，在結(jié)構(gòu)外形設(shè)計(jì)中模具設(shè)計(jì)人員參與評價，在零件詳細(xì)設(shè)計(jì)過程中鋪層成型工藝人員參與評價。這樣可以充分發(fā)揮參研人員的專業(yè)特長，將后期制造過程中的技術(shù)盲點(diǎn)盡可能在方案設(shè)計(jì)中消除，利于產(chǎn)品質(zhì)量的提高。經(jīng)過型號的實(shí)踐，還形成了對復(fù)合材料產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、流程等方面具有完整技術(shù)儲備的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。

6．固化全過程、全要素?cái)?shù)字化設(shè)計(jì)方法和流程

在設(shè)計(jì)流程方面，項(xiàng)目組聯(lián)合制造人員對零部件三維模型進(jìn)行可制造性分析，包括產(chǎn)品內(nèi)外部型面的加工可行性、裝配可行性、產(chǎn)品厚度、剪切帶鋪放方法、裝配特點(diǎn)、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式、圓角設(shè)計(jì)等，基于復(fù)合材料產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝特點(diǎn)進(jìn)行多次評價確定，并將設(shè)計(jì)過程中的技術(shù)要素以知識和軟件的形式固化，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)流程數(shù)字化、智能化管理。

在工藝流程方面，為了進(jìn)一步加強(qiáng)設(shè)計(jì)預(yù)防控制，特別是對大尺寸、復(fù)雜外形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的固化變形精確預(yù)報(bào)顯得尤為關(guān)鍵，直接關(guān)系到復(fù)合材料飛行器方案的可行性。項(xiàng)目組依靠協(xié)同評價的基礎(chǔ)，借助專業(yè)的數(shù)字化分析軟件，依據(jù)行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對復(fù)合材料產(chǎn)品工藝流程進(jìn)行合理有效的仿真模擬，發(fā)現(xiàn)加工成型過程中可能出現(xiàn)的缺陷，用于改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。

在試驗(yàn)流程方面，項(xiàng)目組借鑒國內(nèi)外先進(jìn)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研制思路和方法，應(yīng)用改進(jìn)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)“積木式”驗(yàn)證方法構(gòu)建適用于有限重復(fù)應(yīng)用飛行器的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)“積木式”驗(yàn)證方案和數(shù)字化數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的復(fù)用，指導(dǎo)設(shè)計(jì)分析過程，奠定飛行器結(jié)構(gòu)可靠性和安全性技術(shù)基礎(chǔ)。

7．實(shí)現(xiàn)基于同一數(shù)據(jù)源的三維數(shù)模下廠

在產(chǎn)品模型下廠傳遞方面，針對三維協(xié)同設(shè)計(jì)作為一項(xiàng)新技術(shù)，三維數(shù)模數(shù)據(jù)下廠技術(shù)狀態(tài)難管控的問題，項(xiàng)目組依托協(xié)同設(shè)計(jì)平臺在設(shè)計(jì)和制造部門之間實(shí)施基于同一數(shù)據(jù)源的全三維數(shù)據(jù)傳遞流程，如圖3所示。

8．實(shí)施閉環(huán)三維模型設(shè)計(jì)變更管理

在技術(shù)狀態(tài)更改方面，項(xiàng)目組借助于數(shù)字化協(xié)同研制平臺強(qiáng)大的更改控制和工作流管理功能，在基于模型的更改管理模式下，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對技術(shù)狀態(tài)的變化進(jìn)行有序和閉環(huán)控制，保證更改信息的正確性、及時性和完整性（見圖4）。

設(shè)計(jì)更改發(fā)生以后，產(chǎn)品的制造部門需要對設(shè)計(jì)更改結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)落實(shí)，如相關(guān)工藝規(guī)程、材料采購等文件的版本更新，以確保工程更改的閉環(huán)控制。

二、實(shí)踐效果

面向全生命周期復(fù)合材料航天產(chǎn)品高效協(xié)同模式的研究和應(yīng)用取得了顯著的效果，經(jīng)過1年的生產(chǎn)實(shí)踐，證明該模式下可縮短研制周期40%以上。具體對以下幾個方面的能力產(chǎn)生了明顯的提升效果：

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)能力方面，借助基于面向全生命周期協(xié)同設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)人員用較短時間就可以開展多方案的可行性對比和結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)，完成結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在確保方案可行的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)化。

在研制進(jìn)度控制能力方面，從設(shè)計(jì)、制造串行工作的傳統(tǒng)模式轉(zhuǎn)變成設(shè)計(jì)、制造一體化協(xié)同工作，將原來制造期間的部分工裝設(shè)計(jì)、長周期材料采購、工藝方案制定提前到產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)階段，可有效減少設(shè)計(jì)、制造信息的不一致，從而縮短設(shè)計(jì)制造周期、提升產(chǎn)品質(zhì)量、減少產(chǎn)品報(bào)廢率。

在產(chǎn)品成本控制能力方面，將產(chǎn)品研制過程中的設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化過程應(yīng)用數(shù)字化工具進(jìn)行作業(yè)，將部分需要實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證的工藝過程在設(shè)計(jì)過程中仿真模擬，降低了研制成本。

三、后續(xù)工作思路

圖3 設(shè)計(jì)和制造部門間的數(shù)據(jù)傳遞

圖4 狀態(tài)更改流程

創(chuàng)新研制模式的有效運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造一體化，統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，顯著提升了研制效率。但由于不同航天產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)不同，不同單位研發(fā)保障條件也各有差別，建議后續(xù)在以下幾個方面開展進(jìn)一步研究：

一是協(xié)同交互設(shè)計(jì)仿真技術(shù)的應(yīng)用。在航天產(chǎn)品研制過程中，設(shè)計(jì)與工藝的技術(shù)研討多是在集成的環(huán)境中進(jìn)行“面對面”交流探討，而沒有建設(shè)相應(yīng)的異地?cái)?shù)字化協(xié)同交互仿真平臺，在工藝、設(shè)計(jì)協(xié)同中的效率還有較大提升空間。

二是須及早解決知識產(chǎn)權(quán)管理問題。目前協(xié)同模式雖能有效解決行政管理問題，但無法有效解決知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)問題，對于多部門、多廠所的設(shè)計(jì)微團(tuán)隊(duì)，缺乏有效管理各自的控制技術(shù)方法、模型數(shù)據(jù)以及核心工具的分發(fā)、流轉(zhuǎn)和共享等。

面向全生命周期復(fù)合材料產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)研制模式的實(shí)施，顯著縮短了研制周期，該研究成果可直接應(yīng)用于航天系統(tǒng)其它型號的研制，促進(jìn)航天型號協(xié)同設(shè)計(jì)管理技術(shù)領(lǐng)域的不斷發(fā)展。?