劉曉玉　楊寧

【摘 要】本文通過分析航空發(fā)動機(jī)傳統(tǒng)串行研制模式下存在的問題及并行協(xié)同研制的優(yōu)勢，說明了在航空發(fā)動機(jī)研制中采用并行協(xié)同技術(shù)的必要性，并進(jìn)一步結(jié)合型號應(yīng)用情況，梳理了航空發(fā)動機(jī)數(shù)字化協(xié)同研制技術(shù)推行中的關(guān)鍵技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】并行協(xié)同；數(shù)字化協(xié)同；聯(lián)合開發(fā)團(tuán)隊(duì)；標(biāo)準(zhǔn)體系

中圖分類號： V268.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）11-0040-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.016

1 串行工作模式下航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)存在的問題

在傳統(tǒng)的串行工作模式下，航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品開發(fā)大致遵循“概念設(shè)計(jì)—詳細(xì)設(shè)計(jì)—工程設(shè)計(jì)—加工制造—試驗(yàn)驗(yàn)證—設(shè)計(jì)更改”的流程。在這種工作模式下，航空發(fā)動機(jī)研制存在以下兩個(gè)問題。

1.1 設(shè)計(jì)迭代周期長、設(shè)計(jì)優(yōu)化困難

由于技術(shù)限制，在航空產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段中獲取的產(chǎn)品各類信息極為有限，設(shè)計(jì)初期難以全面考慮可生產(chǎn)性、可裝配性和可維護(hù)性等眾多因素，從而導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的大量設(shè)計(jì)更改，構(gòu)成從概念設(shè)計(jì)到設(shè)計(jì)更改的大循環(huán)，延長了設(shè)計(jì)迭代周期。

1.2 研制周期長、研制風(fēng)險(xiǎn)大

航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能要求高、制造工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期長等特點(diǎn)。在傳統(tǒng)的串行模式下，生產(chǎn)準(zhǔn)備必需在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)完整定義后才能進(jìn)行，而占有大量生產(chǎn)制造時(shí)間的生產(chǎn)準(zhǔn)備工作，所用到的設(shè)計(jì)信息很多都可在設(shè)計(jì)初期或中期確定，傳統(tǒng)的串行工作模式并沒有將確定的設(shè)計(jì)信息進(jìn)行及時(shí)有效利用，從而延長了產(chǎn)品的整體研制周期，加大了產(chǎn)品研制的風(fēng)險(xiǎn)。

2 并行協(xié)同工作模式的優(yōu)勢

并行協(xié)同研制工作模式采用產(chǎn)品聯(lián)合工作團(tuán)隊(duì)的工作方式，它在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的同時(shí)，同步設(shè)計(jì)與產(chǎn)品生命周期相關(guān)的要素，力求使產(chǎn)品的開發(fā)者在設(shè)計(jì)階段就考慮從概念到投入使用的整個(gè)生命周期內(nèi)的所有因素，包括結(jié)構(gòu)、性能、制造、裝配、檢驗(yàn)、維護(hù)、成本和質(zhì)量等。相對傳統(tǒng)的“串行”的過程，并行協(xié)同研制采用的是“并行”的過程，在設(shè)計(jì)階段集中有關(guān)產(chǎn)品研制周期的各部門工程技術(shù)人員，共同進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，同時(shí)，采用基于模型的定義技術(shù)，依靠仿真分析軟件對產(chǎn)品的性能和有關(guān)要素進(jìn)行動態(tài)仿真、分析和評估，提出設(shè)計(jì)優(yōu)化建議，以取得最優(yōu)的設(shè)計(jì)效果。這樣設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不僅有良好的性能，且易于制造、檢驗(yàn)和維護(hù)，同時(shí)減少了設(shè)計(jì)更改的數(shù)量，縮短了設(shè)計(jì)迭代周期。

同時(shí)，并行工程強(qiáng)調(diào)時(shí)間上的“并行”，基于設(shè)計(jì)前期已確定的信息同步開展下游的工作，通過對產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息進(jìn)行分階段的定義，可確保不同階段的設(shè)計(jì)信息的有效利用，如根據(jù)設(shè)計(jì)定義的零件毛坯信息進(jìn)行原材料訂貨、根據(jù)產(chǎn)品大致的結(jié)構(gòu)進(jìn)行工具工裝設(shè)計(jì)等，通過這種方式可促進(jìn)下游工作的提前啟動，相對縮短制造環(huán)節(jié)的生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，從而縮短產(chǎn)品研制的周期。

3 航空發(fā)動機(jī)并行協(xié)同技術(shù)推進(jìn)中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 構(gòu)建產(chǎn)品聯(lián)合開發(fā)團(tuán)隊(duì)（IPT）

IPT是產(chǎn)品協(xié)同研制的組織基礎(chǔ)，通過成立聯(lián)合開發(fā)團(tuán)隊(duì)，確定聯(lián)合設(shè)計(jì)的職責(zé)，可打破廠所、部門間的物理界面，構(gòu)建基于項(xiàng)目的跨學(xué)科、跨單位、跨地域的聯(lián)合研制團(tuán)隊(duì)。航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品研制的IPT一般以航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)建分層級的結(jié)構(gòu)，每個(gè)IPT小組內(nèi)都包括設(shè)計(jì)、仿真分析、工藝、裝配、檢驗(yàn)、維修等多專業(yè)技術(shù)人員（圖1）。通過IPT工作的開展，制造、檢驗(yàn)等技術(shù)人員可依據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)能力為設(shè)計(jì)提供優(yōu)化建議，增強(qiáng)設(shè)計(jì)的工藝性和可制造性，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，同時(shí)使設(shè)計(jì)下游業(yè)務(wù)人員更好地理解設(shè)計(jì)意圖，提高后續(xù)加工制造環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)符合性。

由于IPT是一種以項(xiàng)目為核心的跨單位組織，原則上IPT不受任何單位的制度約束，故在項(xiàng)目IPT組建的同時(shí)應(yīng)明確其管理辦法，包括各級IPT小組的職責(zé)、人員變動管理、IPT小組成員角色及其職責(zé)權(quán)限等。

3.2 IPT協(xié)同工作方式

IPT的協(xié)同工作方式包括即時(shí)協(xié)同和基于流程的協(xié)同兩種。其中，對于跨地域、復(fù)雜產(chǎn)品的IPT組織，一般采用即時(shí)協(xié)同的方式，即通過網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下在線同步工作的方式，進(jìn)行協(xié)同的人員通過交互式CAD工具對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)進(jìn)行在線討論和操作，通過對CAD模型的同步編輯、同步標(biāo)注、語音文字同步傳輸?shù)裙δ?，?shí)現(xiàn)異地用戶對共同設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的同步討論。即時(shí)協(xié)同具有協(xié)同效率高、協(xié)同程度深、協(xié)同效果好的特點(diǎn)。

基于流程的協(xié)同是一種基于研發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)確認(rèn)和信息反饋的方式，當(dāng)需要進(jìn)行協(xié)同時(shí)，設(shè)計(jì)人員對數(shù)據(jù)發(fā)起相應(yīng)流程，IPT成員基于流程進(jìn)行意見反饋?；诹鞒痰膮f(xié)同具有過程信息易于記錄、易于追溯的特點(diǎn)，但協(xié)同效率偏低。

3.3 構(gòu)建支撐協(xié)同研制的協(xié)同工作環(huán)境

隨著發(fā)動機(jī)行業(yè)內(nèi)各廠所間協(xié)同工作的深入，工作交叉越來越多、各廠所信息數(shù)據(jù)的交互越來越頻繁，原有的以單位為單元構(gòu)建各自獨(dú)立的數(shù)字化工作平臺，依靠頻繁的系統(tǒng)架構(gòu)適應(yīng)性更改實(shí)現(xiàn)與特定廠所的信息交互的方式已不能滿足型號協(xié)同研制的需要。構(gòu)建可以支持異地多廠所之間信息共享、集成、傳遞，支持協(xié)同工作機(jī)制和主要業(yè)務(wù)流程的協(xié)同研制平臺，是推進(jìn)行業(yè)“大協(xié)同”和型號協(xié)同研制深入開展的基礎(chǔ)。為更好地支持協(xié)同研制工作，協(xié)同研制工作平臺應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能：

3.3.1 統(tǒng)一的集成軟件版本，保證數(shù)據(jù)的可讀性。

航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品在研制過程中會產(chǎn)生眾多的信息，軟件的類型和版本直接影響其在其他系統(tǒng)中的可讀性。通過統(tǒng)一主要信息定義的軟件類型和版本，可保證數(shù)據(jù)使用的準(zhǔn)確性。軟件版本在統(tǒng)一的過程中應(yīng)充分考慮已有信息的可讀性，及未來產(chǎn)品信息定義的需求，一般軟件應(yīng)統(tǒng)一為相對高版本。

3.3.2 統(tǒng)一的信息模型，保證數(shù)據(jù)傳遞的準(zhǔn)確性。

信息模型是系統(tǒng)軟件進(jìn)行信息管理和組織的方式，每個(gè)信息都通過信息模型中的相應(yīng)元素來進(jìn)行信息化定義，同時(shí)信息系統(tǒng)通過對信息模型中各類信息的識別來判斷信息的類型和所屬對象等。在設(shè)計(jì)PDM系統(tǒng)中，信息模型主要包含Item類型、Item及ItemRevision的屬性、BOM配置規(guī)則及BOMLine屬性、Item文件夾結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)間關(guān)系等。統(tǒng)一信息模型是確保數(shù)據(jù)順利交互，保證傳遞數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。

3.3.3 統(tǒng)一公共資源，保證共用信息定義的一致性

在發(fā)動機(jī)產(chǎn)品定義過程中，存在許多公共基礎(chǔ)信息，包括材料信息、標(biāo)準(zhǔn)信息、標(biāo)準(zhǔn)件信息等，這些信息依據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行描述，在各型號和各單位間具有普遍性和一致性。對這些信息的數(shù)字化定義直接影響后續(xù)生產(chǎn)加工等信息使用環(huán)節(jié)中對共性信息的識別，如原材料和標(biāo)準(zhǔn)件的采購和管理，工藝標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行和變更管理等，從而影響對公共資源的統(tǒng)籌規(guī)劃、管理，增加生產(chǎn)成本，影響生產(chǎn)效率。構(gòu)建公共資源庫，可實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)源頭對公共信息的一致性描述，從而方便工廠進(jìn)行公共信息的識別和公共資源的統(tǒng)籌管理。

3.3.4 實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)的流程執(zhí)行和即時(shí)協(xié)同

如3.2節(jié)所述，為支持基于IPT組織模式下的跨地域、跨單位協(xié)同工作，協(xié)同研制平臺應(yīng)具有跨系統(tǒng)流程執(zhí)行和即時(shí)協(xié)同的功能。此部分工作的重點(diǎn)在于跨地域的各系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)連通、系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性和保密性控制、基于型號或項(xiàng)目的人員角色定義和權(quán)限管理、即時(shí)協(xié)同工具軟件對CAD軟件的集成、即時(shí)協(xié)同過程中過程數(shù)據(jù)的記錄和管理等。

3.5 形成基于模型的產(chǎn)品定義方式

發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的協(xié)同研制不但是工作內(nèi)容協(xié)同和流程協(xié)同的過程，同時(shí)是基于單一數(shù)據(jù)源實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)集中管理和產(chǎn)品數(shù)據(jù)重復(fù)利用的過程?；谀Ｐ偷亩x（MBD）是一種有效的方式。它不但可以突破傳統(tǒng)的以二維圖為中心，三維模型為輔的管理模式下，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)定義重復(fù)，圖紙解讀困難的問題，同時(shí)可保證設(shè)計(jì)過程中性能仿真、強(qiáng)度仿真、加工仿真、裝配仿真等仿真過程所使用的3D虛擬數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的一致性，從而提高仿真的準(zhǔn)確性和可參考性，優(yōu)化協(xié)同研制效果。在MBD的技術(shù)體系中，MBD數(shù)據(jù)集內(nèi)容包含設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢驗(yàn)等各部門的信息，在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和研制管理體系的控制下，各職能人員可以共同在一個(gè)未完成的產(chǎn)品模型上協(xié)同工作，是協(xié)同研制工作的載體。同時(shí)，MBD模型作為一種數(shù)字化定義的數(shù)據(jù)，其各類信息可方便地被各類系統(tǒng)所識別，是后續(xù)數(shù)字化加工的數(shù)據(jù)源，是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)。

MBD不是簡單的三維模型加三維標(biāo)注，它不但定義了設(shè)計(jì)幾何信息同時(shí)定義了三維產(chǎn)品加工制造信息、使用維護(hù)信息等全壽命周期的產(chǎn)品信息，同時(shí)包含非幾何的管理信息（產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、BOM、屬性等）。這種集成化的產(chǎn)品信息定義體系對數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的集成功能和組織管理方法提出了極大的考驗(yàn)。目前航空發(fā)動機(jī)已形成基礎(chǔ)的MBD定義體系，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)信息的三維數(shù)字化定義，通過典型型號的推廣驗(yàn)證了三維數(shù)字化加工的可行性，但實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)尚且不足，對MBD體系的研究尚且需要深入。

3.6 構(gòu)建支持協(xié)同研制的標(biāo)準(zhǔn)體系

協(xié)同研制的推廣使航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品研制從單一單位參與逐步向全行業(yè)共同參與轉(zhuǎn)變，工作模式從串行工作模式向并行協(xié)同工作模式轉(zhuǎn)變，這種變化必然對型號研制的管理和研制工作的有序進(jìn)行提出更多的挑戰(zhàn)，構(gòu)建支持協(xié)同研制的標(biāo)準(zhǔn)體系，保證型號協(xié)同研制過程中有據(jù)可循，各項(xiàng)工作有序進(jìn)行是協(xié)同研制工作推進(jìn)的基礎(chǔ)。

協(xié)同研制標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)是航空發(fā)動機(jī)協(xié)同研制過程中所需標(biāo)準(zhǔn)組成的科學(xué)有機(jī)體，涉及協(xié)同研制過程中的各項(xiàng)活動，包括協(xié)同研制管理標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)同環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)字化產(chǎn)品定義標(biāo)準(zhǔn)三個(gè)類別，如圖2所示。