◎中國運載火箭技術(shù)研究院空天業(yè)務部 王悅 吳迪 鄧云飛 王月

未來新型航天器將是航天航空兩大技術(shù)體系融合的產(chǎn)品，具有技術(shù)領(lǐng)域廣、參研單位多、協(xié)調(diào)難度大、計劃周期緊等特點，要實現(xiàn)設計體系的跨域融合依然任重道遠。為此，中國運載火箭技術(shù)研究院空天業(yè)務部在某國防領(lǐng)域重要型號研制過程中深入探索基于MBD的航天航空融合空天飛行器復合材料結(jié)構(gòu)協(xié)同設計制造之路，為新型航天器研制和飛行試驗成功奠定了堅實的基礎。

一、新型航天器跨域融合之路

對于航天已有的協(xié)同設計，主要基于PRO/E 及其配套的PDM 系統(tǒng)進行設計和管理，已保障了多個運載火箭、衛(wèi)星和飛船的順利研制。但是對于新型航天器研制而言，航天航空設計體系的跨域融合依然是一座高山，對于具有鮮明航空特色的著陸架、阻力傘設計，復雜空間雙曲面機身、機翼、舵面外形，大量類似飛機零件給航天器的設計帶來了挑戰(zhàn)，同時新型航天器還肩負著新功能、新技術(shù)、新發(fā)展的歷史使命，高性能全復合材料的設計與應用，設計與工藝一體化協(xié)同，協(xié)同系統(tǒng)的智能化知識化定制，標準化三維模型流程，避免設計與制造系統(tǒng)異構(gòu)實現(xiàn)數(shù)據(jù)源統(tǒng)一等系列要求，都使當前新型飛行器的發(fā)展略顯局促。

航天現(xiàn)有設計系統(tǒng)對于新型航天器項目研制的高效、高質(zhì)量要求不足已凸顯，因此，某新型航天器研制團隊以IPT 為應用背景，借鑒國內(nèi)外先進協(xié)同設計技術(shù)，設計并構(gòu)建了全三維在線協(xié)同平臺，實現(xiàn)了基于“唯一數(shù)據(jù)源”的設計與生產(chǎn)的協(xié)同研發(fā)，采用五步走戰(zhàn)略實現(xiàn)數(shù)字化平臺的終極大成。

1、構(gòu)筑基于基礎資源層、支撐平臺層、流程驅(qū)動層三位一體的數(shù)字化研發(fā)體系

以項目研制目標為牽引，構(gòu)筑基于基礎資源層、支撐平臺層、流程驅(qū)動層三位一體的數(shù)字化研發(fā)體系，形成相關(guān)標準規(guī)范和知識手冊，探索基于數(shù)字化、集成化、標準化、面向全壽命周期的精益管理技術(shù)，有效解決航天新型產(chǎn)品數(shù)字化精益研制和質(zhì)量管理結(jié)合難的問題。

2、建立支持多系統(tǒng)協(xié)同、多學科優(yōu)化數(shù)字化設計環(huán)境

面向項目結(jié)構(gòu)機構(gòu)產(chǎn)品研制需求，建設產(chǎn)品數(shù)字化協(xié)同設計研發(fā)平臺和精益管理兩個環(huán)境，保障多系統(tǒng)實施在線三維協(xié)同設計和狀態(tài)管控，實現(xiàn)各個專業(yè)或業(yè)務過程的無縫銜接，解決航天新型產(chǎn)品多系統(tǒng)、多學科高效協(xié)同研制實現(xiàn)難的問題。

3、構(gòu)筑基于標準化、量化的產(chǎn)品精益研制標準規(guī)范族

借鑒國外數(shù)字化研制相關(guān)技術(shù)準則和規(guī)范，實現(xiàn)與生產(chǎn)實際結(jié)合，建立全生命周期全三維協(xié)同設計與技術(shù)狀態(tài)管理控制規(guī)范體系，制定《三維協(xié)同設計規(guī)范》《強度分析規(guī)范》《虛擬仿真規(guī)范》三個標準規(guī)范族，為產(chǎn)品構(gòu)型和技術(shù)管理奠定基礎，解決航天新型產(chǎn)品數(shù)字化協(xié)同研制過程知識工程和標準化管理應用難的問題。

4、固化并行模式下全壽命周期全過程數(shù)字化設計精益流程

固化全過程并行工程的團隊工作流程，打破產(chǎn)品研制鏈條上下游單位的壁壘，貫穿產(chǎn)品設計、工藝設計、工裝設計、物料采購和試驗準備全過程協(xié)同的研制模式，打通產(chǎn)品鏈條中的各個環(huán)節(jié)，擴充產(chǎn)品研制過程中信息資源共享、傳遞的通道，建立以產(chǎn)品為核心的高效反饋和跟蹤機制，大幅度減少航天新型產(chǎn)品傳統(tǒng)模式下串行工程中等待浪費和工作反復造成的巨大浪費，提高資源利用率。

5、提升新型航天產(chǎn)品精益設計與敏捷管理九大能力

推進新型結(jié)構(gòu)產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)及科研管理的變革和創(chuàng)新，致力先進自主研發(fā)和系列化發(fā)展，大幅度提高產(chǎn)品設計過程中的技術(shù)創(chuàng)新能力、管理創(chuàng)新能力、持續(xù)改善能力、技術(shù)狀態(tài)管控能力、成本控制能力、并行工程管理能力、設計制造一體化能力、數(shù)字化設計能力、方案快速設計能力。

二、構(gòu)建新型航天器數(shù)字化協(xié)同設計制造體系

（一）新型航天器協(xié)同設計體系頂層設計

以新型運載航天器研制需求為牽引，融合航天航空技術(shù)，通過構(gòu)建基于KBE 的知識資源設計系統(tǒng)為支撐層，開發(fā)基于MBD 的全三維協(xié)同數(shù)字化研制平臺環(huán)境為內(nèi)核，設計輕質(zhì)高效自適應自感知的智能產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為目標，構(gòu)筑新型航天器集成產(chǎn)品研發(fā)平臺層，打通幾何樣機、功能樣機、性能樣機和維護樣機全過程數(shù)字化流程全壽命周期技術(shù)狀態(tài)控制流程層，構(gòu)筑基于基礎資源層、支撐平臺層、流程驅(qū)動層，集系統(tǒng)工程、知識工程、質(zhì)量管理等系統(tǒng)為一體，實現(xiàn)智能產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與智能設計系統(tǒng)信息流互聯(lián)互通，最終構(gòu)建新型智能航天器的設計管理體系，見圖1。

圖1 新型航天器設計體系頂層設計

（二）基于MBD 的全三維協(xié)同數(shù)字化設計方法研究

相對于傳統(tǒng)的金屬材料來說，復合材料本身和工藝的可設計性和多重選擇性是其在結(jié)構(gòu)設計領(lǐng)域越來越受關(guān)注的技術(shù)優(yōu)勢之一。

項目組充分考慮專業(yè)背景的影響，在零部件的設計過程中邀請有能力、有經(jīng)驗的復合材料上、下游企業(yè)在方案論證階段參與到材料選型、結(jié)構(gòu)設計中去。項目組通過應用基于復合材料專業(yè)化MBD 設計技術(shù)，運用以三維產(chǎn)品模型為基礎,集成了復合材料產(chǎn)品三維空間尺寸公差標注、模具、鋪層方法、下料方式等制造要求標注在內(nèi)的特征信息表達方法,實現(xiàn)對產(chǎn)品特征描述、共享，滿足信息系統(tǒng)的直接傳遞要求,并實現(xiàn)對產(chǎn)品信息的分類管理，見圖2。

為確保全三維MBD 設計數(shù)據(jù)在產(chǎn)品全生命周期環(huán)節(jié)內(nèi)流暢使用，應充分考慮設計信息傳遞在各環(huán)節(jié)的應用特點，建立精簡但完整的MBD 數(shù)據(jù)集定義技術(shù)體系，如圖3 所示，為MBD 數(shù)據(jù)集定義示意。

圖2 復合材料三維設計MBD模型

圖3 MBD數(shù)據(jù)集定義方案

圖4 復合材料設計流程智能化效果圖

圖5 復合材料產(chǎn)品試驗驗證規(guī)劃

（三）固化基于“設計-分析-試驗”設計方法和流程

在復合材料零部件設計流程中，相關(guān)設計開發(fā)人員及其團隊對零部件三維模型，如蒙皮壁板分塊方案的合理性，聯(lián)合制造人員進行工藝分析，包括產(chǎn)品的內(nèi)外部造型滿足成型脫模要求、影響脫模結(jié)構(gòu)的成型方式、產(chǎn)品厚度、剪切帶鋪放方法、裝配特點、加強結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方式、圓角設計等都基于復合材料設計和工藝特點進行多次評價確定，并將設計過程中的技術(shù)要素以知識和軟件的形式固化，實現(xiàn)設計流程數(shù)字化、智能化管理，見圖4。

在工藝流程方面，依靠協(xié)同評價的基礎，為了進一步加強設計預防控制，特別是對大尺寸、復雜外形復合材料結(jié)構(gòu)的固化變形精確預報顯得尤為關(guān)鍵，直接關(guān)系到復合材料飛行器方案的可行性。為此，項目組設計和工藝人員借助專業(yè)的數(shù)字化分析軟件，依據(jù)行業(yè)相關(guān)標準規(guī)范，對復合材料產(chǎn)品進行精細仿真和精確計算，對設計方案的可行性進行分析，實現(xiàn)事前評價和預防，指導產(chǎn)品設計方案。

在試驗流程方面，借鑒國內(nèi)外先進的復合材料結(jié)構(gòu)研制思路和方法，應用改進的復合材料結(jié)構(gòu)的“積木式”驗證方法，構(gòu)建適應于有限重復應用飛行器的復合材料結(jié)構(gòu)“積木式”驗證方案和數(shù)字化數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)在產(chǎn)品設計過程中的重用，指導設計分析過程，奠定飛行器結(jié)構(gòu)可靠性和安全性技術(shù)基礎，見圖5。

（四）智能自感知復合材料結(jié)構(gòu)設計制造一體化設計技術(shù)

針對智能結(jié)構(gòu)先進材料設計，提出先進復合材料/光纖結(jié)構(gòu)設計及工藝一體化定義方法，設計人員完成先進復合材料結(jié)構(gòu)鋪層工程定義（工程數(shù)據(jù)集定義），開展復合材料結(jié)構(gòu)與傳感/作動元件的一體化設計與耦合作用機理研究，研究機- 電- 熱等多物理場耦合作用機制，建立智能結(jié)構(gòu)建模方法，實現(xiàn)對新型輕質(zhì)智能結(jié)構(gòu)的多尺度表征，與多物理場作用下綜合性能預報，使得典型（組合）部件在實現(xiàn)自感知的同時重量減至最低。

（五）全過程協(xié)同虛擬制造仿真技術(shù)

構(gòu)建產(chǎn)品數(shù)字化制造仿真及驗證協(xié)同仿真平臺，對裝配仿真項目進行統(tǒng)一規(guī)劃，實現(xiàn)加工和裝配仿真數(shù)據(jù)、資源及流程的統(tǒng)一管理，支持零件制造-組件裝配-總裝全過程多人協(xié)同仿真分析，實現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)與資源的版本控制、重用和共享，提高方案變更的裝配仿真時效性，實現(xiàn)總體布局和總裝仿真流程的同步更新。

三、基于MBD 全三維數(shù)字化協(xié)同設計制造的實施效果

通過構(gòu)件平臺進行協(xié)同設計，提升數(shù)字化研制能力，在平臺化驅(qū)動下，數(shù)字化實現(xiàn)了四大能力的提升。

1、高效、高質(zhì)量、精細化協(xié)同設計能力

借助CATIA/LCA，提升基于配置的上下文設計、關(guān)聯(lián)設計及多專業(yè)并行協(xié)同設計能力，并重點就面向制造的復合材料設計、面向制造的航空鈑金設計、基于上下文的三維線纜管路設計等幾方面進行技術(shù)攻關(guān)和能力建設。

2012 年3 月，采用本設計平臺技術(shù)，聯(lián)合9 家單位組成IPT 團隊開展協(xié)同設計。歷時115 天形成設計規(guī)范三套共86 個，其中設計要求9625 條，分析要求1508 條，工藝要求563 條。形成材料、緊固件模型庫10 個，設計模型35602 個，分析模型9632 個，工藝模型2056 個。發(fā)布長周期材料采購單52 張，質(zhì)量檢查表格15232 張，在線簽署48625次。

2018 年12 月，采用本設計平臺技術(shù)，僅用117 天完成某領(lǐng)域飛行器飛行試驗樣機設計與詳細設計。全飛行器包含2026 個零件，23960 個緊固件,首架飛行試驗樣機已經(jīng)完成了裝配,驗證的協(xié)同設計制造模式的有效性,顯著提升了研制效率,縮短了研制周期。

2、數(shù)字樣機仿真能力

在數(shù)字樣機基礎上， 結(jié)合DELMIA 系統(tǒng)提升數(shù)字樣機仿真能力，并就運動機構(gòu)模擬、數(shù)字樣機漫游、空間分析、運動包絡分析、裝配路徑規(guī)劃及人機工程分析等方面進行能力建設，實現(xiàn)基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的數(shù)字樣機裝配仿真及優(yōu)化。

3、虛擬產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理能力

以LCA 為基礎提升虛擬產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理能力，重點從頂層產(chǎn)品結(jié)構(gòu)規(guī)劃、三級審簽及產(chǎn)品成熟度等方面開展工作，保證研制過程受控，產(chǎn)品數(shù)據(jù)統(tǒng)一。

4、數(shù)據(jù)發(fā)放及管理能力

通過數(shù)據(jù)發(fā)放審簽及會簽流程實現(xiàn)航天單位間的數(shù)據(jù)發(fā)放，通過產(chǎn)品數(shù)據(jù)版本控制機制保證數(shù)據(jù)的有效性及唯一性，提升新型航天器其他型號數(shù)據(jù)發(fā)放及管理水平。

四、基于MBD 全三維數(shù)字化協(xié)同設計制造模式的未來與發(fā)展

基于MBD 的新型航天飛行器復合材料結(jié)構(gòu)設計模式的實踐探索, 為我國航天航空融合的飛行器的產(chǎn)品研制提供有力支撐, 后續(xù)將結(jié)合MBSE（Model Based System Engineering）和數(shù)字孿生技術(shù)的應用，構(gòu)建一套涵蓋新型航天飛行器全壽命周期的數(shù)字化設計、制造、試驗、運控和維修保障的體系，全面支撐新型航天飛行器的研制和裝備應用，為我國航天領(lǐng)域數(shù)字化應用和發(fā)展提供有力支撐。