（中航工業(yè)信息技術中心，北京 100022）

裝備制造行業(yè)的產品研制有4個關鍵的階段：方案論證、工程研制、批產交付和服務保障。方案論證包含兩個階段：一是需求分析、概念設計；二是總體的方案設計等。工程研制是指產品總體方案凍結后的產品研發(fā)階段，接著便可進入到生產階段和服務保障階段。這4個階段關注的內容是不一樣的，因此指導方法和管理手段完全不同，但是在系統(tǒng)工程思想的指導下，可以把這4個階段統(tǒng)籌考慮。

飛機設計技術的發(fā)展

飛機設計經歷了從二維圖板繪制圖紙，到計算機繪制二維圖紙，到三維數字化樣機設計，再到全三維樣機設計的演變過程。二維圖研制模式主要是基于圖紙的產品研發(fā)模式，沒有實現產品數據的充分共享和再利用、數據的關聯(lián)管理、電子化審簽、技術狀態(tài)精細化管理等，更談不上報表的自動生成和自動傳遞。因此，基于三維數字化樣機的產品研發(fā)模式是產品研發(fā)的必由之路。

（1）基于三維模型的協(xié)同設計。

基于三維CAD軟件進行數字樣機（Digital Mock-up, DMU）的協(xié)同設計，解決了大量分析、仿真、計算、工藝、裝配問題，并基于DMU生成二維工程圖。該模式基于產品結構進行產品數據的關聯(lián)管理，實現電子化審簽和變更管理。由于在三維模型上表達不了用于工藝、制造和檢測的全面信息，仍然將二維圖紙作為制造依據。

由于設計數據實現了集中統(tǒng)一管理，可以有效完成數據共享和再利用；而且有了數字化樣機，可以基于集成產品協(xié)同研發(fā)團隊（IPT）開展協(xié)同產品研發(fā)，這是飛機設計技術的一次飛躍，是以三維數字化樣機為核心的產品研發(fā)模式，已經解決了大量力學和幾何問題，實現了并行協(xié)同產品研發(fā)。

波音777飛機作為世界上第一個采用全數字化定義技術的大型工程項目，成為20世紀90年代制造業(yè)應用信息技術的標志性進展。在協(xié)同工作的環(huán)境與系統(tǒng)中消除了12000處干涉問題，設計更改和返工率減少50%以上，費用下降30%～60%，并使分布在60多個國家的飛機零件供應商能方便地通過網絡數據庫實時存取零件信息[1]。

（2）全三維樣機設計。

全三維樣機設計技術在數字化協(xié)同產品研發(fā)平臺上，實現全三維樣機協(xié)同設計和管理、基于產品結構的數據關聯(lián)管理、基于三維模型的工藝設計和管理、基于三維模型的電子化審簽和變更管理以及技術狀態(tài)的統(tǒng)一管理和控制；實現了基于三維模型的一體化產品研制，取消了二維圖；實現了技術狀態(tài)的精細化管理和控制；實現了數據的共享和再利用；實現了并行協(xié)同產品研發(fā)。

以波音787為代表的新型客機研制過程中，全面采用MBD技術，將三維產品制造信息與三維設計信息共同定義到產品的三維模型中，摒棄二維工程圖樣，將MBD模型作為制造的唯一依據[2]。伴隨著國外飛機在國內轉包生產，MBD技術逐漸進入國內航空企業(yè)，各主機廠所也開始了MBD技術體系的不斷探索，并致力于將MBD三維模型作為制造的唯一依據。

先進飛機設計關鍵技術分析

1 基于全局構型管理的DMU設計

（1）完整DMU設計和管理。

完整DMU包含：產品結構+三維CAD模型+輕量化三維模型+模型屬性信息+數據受控。為了實現產品全研制周期的無圖化產品研發(fā)，需要定義完整的DMU，并將數字化樣機應用于產品研制的各個環(huán)節(jié)，實現基于三維模型的一體化產品研發(fā)。DMU的數據源頭是MBD模型，在PDM系統(tǒng)實施中，將對MBD模型進行有效管理。

為了確保工藝、工裝、檢驗等部門能夠有效利用設計環(huán)節(jié)發(fā)放正確的三維MBD模型，重要的一點是需要在PDM實現基于配置的CDMU（Configured DMU，CDMU）管理，在給出一定的配置條件時，能夠過濾出不同幾何位置、不同架次等形式的DMU，展開多種方式的協(xié)調工作，例如設計與制造之間的接口協(xié)調，制造與制造之間的交付狀態(tài)協(xié)調。

針對配置好的MBD模型，確定型號的工藝分離面，定義裝配工位、段位等，接收到設計數據以后還需要進行廠際交付狀態(tài)確定等工藝規(guī)劃工作。在PDM系統(tǒng)實施過程中，將利用PDM系統(tǒng)強大的基于可配置的數字樣機管理能力，提供3D可視化、可交互環(huán)境下的工藝規(guī)劃能力。

（2）基于模型的產品配置設計和管理。

為實現對歷史數據重用，需要對歷史模型和設計規(guī)則、邏輯規(guī)則進行重用，最終實現可配置的產品?；谀Ｐ偷漠a品配置是把具有模塊化體系結構的產品，基于設計平臺定義可創(chuàng)建、可配置、可驗證的產品，通過創(chuàng)建可重復使用的產品模塊，以及定義它們如何接合和裝配，設計師即可快速創(chuàng)建和驗證客戶定制的任何產品。

從產品研制模式的演變過程（圖1）來看，基于模型的產品配置是滿足個性化需求和快速配置的最佳方案，可實現以業(yè)務為驅動力的結構化產品選配，最終實現基于管理平臺的企業(yè)級自頂向下研制過程。

2 基于5級成熟度并行協(xié)同設計

（1）產品成熟度的定義。

根據飛機研發(fā)過程中產品數據完善程度，定義了飛機研發(fā)的5級成熟度（表1）。

（2）基于產品成熟度預發(fā)放的并行產品研發(fā)。

設計制造并行工程的開展很大程度上要借助于成熟度預發(fā)放管理來實現，成熟度數據預發(fā)放管理的主要目的是在設計數據正式發(fā)放之前，將達到一定成熟度的設計數據發(fā)布給相關業(yè)務部門，相關業(yè)務部門的工藝、工裝、采購和制造等部門能夠并行地開展相關工作，同時對設計開展相應的審查工作，及早發(fā)現存在的問題，從而實現設計制造的并行工程，以加快飛機研制的進度[3]。

3 基于骨架模型定義的在線設計

基于骨架模型的自頂向下（Topdown）設計是保證產品質量、加快產品開發(fā)速度、實現數字化協(xié)同設計的有效手段。自頂向下設計采用先確定整體基本參數，然后用三維骨架進行整體總布置、部件總布置，最后基于骨架模型進行零部件設計和繪圖的過程。通過基于骨架模型的自頂向下設計方法，設計意圖的變更可以自頂向下傳遞，直到傳遞到最底層的零件和圖紙，從而使產品的修改性大大提高，修改的工作量也大大降低，同時還能保證各部件設計的一致性?；诠羌苣Ｐ偷淖皂斚蛳略O計的關鍵在于建立一整套適合于三維產品設計的自頂向下設計方法并采用三維骨架模型控制和協(xié)調產品設計，實現設計信息的正確傳遞，加快協(xié)調速度和準確度；利用自頂向下傳遞設計參數和約束，加速產品修改，實現快速設計迭代。

圖1 產品研制模式的演變Fig.1 Evolution of product development mode

骨架模型作為三維協(xié)同設計的核心紐帶、信息交換及傳遞的載體，通過原有文本任務書的融入，真正實現任務書的三維化，保證流程受控，并保持與設計數據的關聯(lián)、變更、協(xié)調等一致。為了建立基于骨架模型的三維任務書研發(fā)模式，需要在實際型號設計中對自頂向下的設計指導規(guī)范加以應用和掌握，同時總結出具備可操作性的三維協(xié)同設計規(guī)范，建立單位內標準，進而推廣應用。

表1 飛機產品研發(fā)的5級成熟度

4 面向制造檢驗過程的MBD設計

MBD技術是隨著數字化設計與制造技術的廣泛應用，在三維CAD技術、設計制造一體化技術日趨成熟的基礎上發(fā)展起來的。在許多情況下三維MBD模型為技術交流和信息傳遞的主要方式，用于開展各種設計和驗證活動。因此，基于三維模型的MBD產品研發(fā)技術將逐漸成為產品研制的主流模式[4]。

（1）基于模型定義的規(guī)范。建立規(guī)范的三維模型定義過程和使用流程，包括設計信息的傳遞、產品設計的流程、CAD工具使用的標準化。產品設計不僅僅是產品知識的體現，在CAD工具使用上也應該有標準的流程與方法。通過基于模型設計的應用制定相應的規(guī)范，包括基礎標準規(guī)范、業(yè)務操作規(guī)范、設計與工藝流程規(guī)范等。

（2）基于模型的三維標注?；谀Ｐ偷娜S標注是實現數字化制造的基礎，它以數字化方式對產品進行準確描述。通過對三維模型的標注和分類組織管理，完整準確地表達產品零部件本身的幾何屬性、工藝屬性、制造信息、質量檢測屬性以及管理屬性等信息，滿足制造過程各階段對數據的需求，保證產品設計制造過程中的協(xié)調性。

（3）基于模型的設計和檢查?；谀Ｐ偷娜S產品設計過程中，需要考慮產品的工藝性、制造性和維護性，實現面向工藝、制造和維護的三維模型設計。針對已經完成的三維模型進行三維模型檢查，包括設計審查、工藝審查、標準化審查等，確保三維模型滿足設計要求、工藝要求、標準化要求和維護要求等。

（4）基于模型的檢驗。在三維工程圖模型上標注有檢驗信息，在工藝設計過程中為具體工藝指派設計模型后，可以將三維工程圖上標注的檢驗信息導入到具體工序上，在輸出工藝卡時也輸出這些信息。檢驗人員通過瀏覽、剖切、測量獲得三維模型的具體形狀和大小，快速理解設計模型。檢驗人員通過瀏覽工藝卡獲得需要檢驗的尺寸，參照工藝卡進行檢驗。

5 基于關聯(lián)技術的數字樣機更新設計

關聯(lián)設計技術是飛機先進設計技術之一，在新型飛機設計過程中發(fā)揮著重要作用。通過定義飛機設計總體參數及傳遞上下游和各專業(yè)之間接口關系的骨架模型，實現設計信息的有效傳遞、制約和控制，實現上下游和各專業(yè)之間的關聯(lián)設計。

飛機關聯(lián)設計需要定義關聯(lián)設計規(guī)范，建立關聯(lián)設計環(huán)境，通過PDM系統(tǒng)實現關聯(lián)信息的管理。

（1）關聯(lián)設計信息的定義。在三維設計過程中，通過參數化設計技術建立模型之間的相互依賴關系，將上游設計的幾何特征（如點、線、面、基準、軸、坐標系等）作為驅動參數，建立模型與模型之間的驅動關系，從而實現上下游設計間的關聯(lián)。關聯(lián)設計的核心是基于模型劃分的理論模型（也稱骨架模型）和接口體系定義。接口就是下游設計參考上游設計的幾何元素，把決定設計對象的具有聯(lián)系的接口的集合稱為設計對象的骨架，對應的數模稱為骨架模型[5]。

（2）關聯(lián)設計信息的傳遞。在飛機設計中，借助數字化技術，通過骨架模型建立、控制和傳遞這種影響關系，實現上下游設計信息的快速傳遞與更改驅動，實現了各個專業(yè)的自動化關聯(lián)設計，保證了結構、系統(tǒng)布置設計數據的唯一性和一致性。骨架模型的幾何元素與共享機制為數據共享和自頂向下的設計模式提供了強有力的技術支撐，也有效支持了飛機結構和系統(tǒng)從總體布置到零件設計、裝配設計采用自頂向下的設計方式，大大提高了協(xié)同設計的效率和質量。

關聯(lián)技術使得上下游專業(yè)設計數據的協(xié)調性、一致性得到保證，關聯(lián)模型的更改信息得到自動傳遞，并在拓撲關系不改變情況下實現零部件模型的自動更改，成為驅動多專業(yè)并行設計、實現快速設計迭代和工程更改的重要技術手段，它的采用減少了協(xié)調與迭代時間，提高了協(xié)調效率，縮短了設計周期。

6 基于虛擬現實的多專業(yè)仿真設計

基于虛擬現實的多專業(yè)仿真設計以全三維模型為核心實現全型號的數字化設計、計算、分析、仿真以及產品優(yōu)化設計，構建面向設計工程師的敏捷分析模式，應用MCAD和CAE的集成應用能力，實現設計、計算、分析、優(yōu)化一體化。

在型號研制過程中，基于模型的三維數字樣機不斷完善，仿真驗證和評審就應該展開，而不是等到設計完全結束后再去檢查和驗證。虛擬樣機的驗證和分析應該用在從方案論證、生產、裝配到維修培訓，以及商務過程中的一系列活動中。當虛擬模型用來代替實際模型驗證設計時，通過可配置的數字化樣機能力，在數字化環(huán)境下實現飛機總體、機電、航電、液壓、飛控等多專業(yè)的設計協(xié)調及模擬裝配，從而提前進行質量驗證。

結合最佳性能的平臺、圖形集群多通道設備、投影系統(tǒng)、虛擬外設、全人體追蹤設備等的聯(lián)合使用，構建虛擬產品會議中心（圖2），建立能讓小組聚集在一起來進行大規(guī)模設計檢查的理想方法，從而能讓多個用戶同時完全投入相同的虛擬環(huán)境中；營造一個可以為內部管理、合作伙伴和客戶提供多功能描述的合作環(huán)境；提高發(fā)現和解決產品問題的能力，工程師可以從用戶的角度而不必使用任何原型法來設計虛擬產品；縮短制造過程，提高利潤率，并最終提高產品的整體競爭力。

圖2 基于虛擬樣機的設計評審和產品展示Fig.2 Design review and product display based on virtual prototype

7 基于模型的系統(tǒng)工程設計

飛機研發(fā)涉及總體、結構、氣動、強度、機械、電子、電氣、軟件等諸多學科技術運用和集成優(yōu)化，融合了可靠性、維護性、保障性等多類工程專業(yè)的切入和開展，其系統(tǒng)內部體系結構及與外部背景環(huán)境的相互交聯(lián)中充分體現“系統(tǒng)之系統(tǒng)（System of Systems，SOS）”的本質屬性。在未來聯(lián)合作戰(zhàn)以及商用航空通勤的運行概念中，飛機利益攸關者的要求和需求不斷增加，系統(tǒng)內部及與背景環(huán)境的交聯(lián)關系的復雜度不斷提高，系統(tǒng)和子系統(tǒng)設計與綜合的復雜度和風險不斷增大，并且隨著系統(tǒng)智能化要求越來越高，傳統(tǒng)的基于文件的系統(tǒng)工程已經難以駕馭需求定義、運行方案設計、功能設計、架構設計、方案權衡等過程，必須引入和開發(fā)支撐飛機創(chuàng)新的開發(fā)方法論、流程集和工具軟件，基于模型的系統(tǒng)工程就是其中一種先進方法和實現模式。

基于模型的系統(tǒng)工程（Model Based System Engineering，MBSE）實施的目標是建立健全要素完整的、面向發(fā)展的基于模型的系統(tǒng)工程框架，通過該框架支撐業(yè)務全面、協(xié)調、可持續(xù)發(fā)展。通過導入基于模型的系統(tǒng)工程方法論與最佳實踐，在飛機開發(fā)方案階段實現詳實的需求定義與系統(tǒng)功能設計，并進行架構設計與綜合，生成系統(tǒng)需求、功能與架構基線，產生需求規(guī)格、產品規(guī)范、接口控制文檔等。MBSE強調場景驅動的需求捕捉和分析，通過建立需求、功能與架構模型，實現從需求到功能、架構的分解與分配，通過模型執(zhí)行實現系統(tǒng)需求和功能邏輯的驗證與確認。在產品生命周期中MBSE向后銜接系統(tǒng)仿真和產品詳細設計，指導和控制各個工程技術、專業(yè)工程領域的設計、綜合與驗證，將構成系統(tǒng)的元素加以合理的定義和配置，達到系統(tǒng)整體功能和性能指標的優(yōu)化[6]（圖3）。

MBSE應用是一個較為長期的過程，為了實現最終目標，有必要采取漸進式、分階段建設，每階段解決一部分問題，見到一定的效果，實現特定的目標。分階段建設可以降低實施風險，避免突然大范圍調整設計人員工作流程的情況，有利于系統(tǒng)工程的穩(wěn)步推進[7]。

圖3 基于模型的系統(tǒng)工程Fig.3 Model based system engineering

未來發(fā)展

隨著信息技術和工業(yè)技術的發(fā)展，飛機設計技術也將越來越智能化，面向腦機互聯(lián)的智能設計將是未來飛機設計的發(fā)展趨勢（圖4）。

2013年德國工業(yè)4.0出現以后，在網絡化、數字化基礎上的智能制造已經成為工業(yè)熱點，而智能制造是以智能設計為基礎的。如果說現在的設計還是基于鼠標、屏幕、各類大型CAD軟件的手工設計，叫做“所見即所得”的話，那么，下一步為簡化設計、工藝、制造工程師的工作，可以用“所言即所得”的方法，最終可以發(fā)展到“所想即所得”。這些并非只是夢想，按照TRIZ創(chuàng)新理論的思想，所有人類產品的發(fā)展都是基于物質、能量以及信息[8]。從固體到液體到氣體，最高境界就是場[9]，按照最新人工智能的進展情況，用腦電波（電磁場）控制設計已經不是一個夢想，其基礎是知識管理。

圖4 飛機設計技術的發(fā)展和展望Fig.4 Development and prospect of aircraft design technology

結束語

航空工業(yè)被稱為工業(yè)之花，許多技術往往是在航空領域率先得到應用和發(fā)展，信息化技術的發(fā)展近年來也對航空技術的發(fā)展起到了很大的促進作用。文中闡述了當今最先進的飛機設計技術及未來發(fā)展趨勢，希望能對未來飛機的研發(fā)提供參考，也希望對其他行業(yè)的產品研發(fā)提供借鑒，推進制造業(yè)產品的研發(fā)。

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[7] 郄永軍. 體系化推進基于模型的系統(tǒng)工程[N]. 中國航空報, 2014-06-19(T03).

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[9] 趙敏. TRIZ進階及實戰(zhàn)[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2015.

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