現(xiàn)代商用航空發(fā)動機的研發(fā)過程高度復雜，耗時漫長。在航空發(fā)動機真正制造出來之前，在虛擬制造環(huán)境中以數字樣機（DMU）代替物理樣機進行各種設計協(xié)調、模擬試驗，對性能和可制造性進行預測和評價，能夠大大縮短設計和制造周期，降低產品的開發(fā)成本。

數字樣機是指對產品的數字化描述，與基于模型定義（MBD）、產品生命周期管理（PLM）和模塊化構型管理等技術一樣，是解決航空發(fā)動機研發(fā)復雜性的重要手段，也是實現(xiàn)“數字孿生”的重要基礎，如圖1所示。但長久以來，數字樣機僅用于設計協(xié)調、模擬驗證等有限用途，未很好地融入研發(fā)體系之中，無法有效支持 “數字孿生”。造成上述情況的主要因素之一是沒有良好的工作模式使數字樣機（DMU）融入設計體系，使其成為設計人員的日常工具。

圖1 利用大裝配簡化技術和數字樣機簡化壓氣機

數字樣機的作用

數字化樣機應用于航空發(fā)動機研發(fā)的關鍵在于如何高效利用計算機輔助設計（CAD）數字模型，建立良好高效的工作體系，使其融入整個研發(fā)過程中。除了已知的數模輕量化和PLM等技術之外，數字樣機還能夠通過與以下技術結合，在航空發(fā)動機研發(fā)中發(fā)揮重要作用。

模塊化構型管理技術

由于航空發(fā)動機非常復雜，研發(fā)過程需要通過細致地分解成不同的工作來完成，模塊化構型管理有助于將復雜的工作分解。在實際的研發(fā)中，產品構型管理的模塊化是和產品模塊化高度相關的，產品模塊化是與產品構型項（CI）的劃分一致的，也稱為模塊化產品構型管理，是為適應復雜技術產品構型管理衍生出的技術，是實現(xiàn)模塊化管理的基礎。模塊化構型管理技術為數字樣機的應用提供了可管理的各級工作空間。

基于模型定義技術

基于模型定義技術，作為數字化協(xié)同設計制造的技術信息載體，是數字化協(xié)同設計制造體系中的關鍵應用技術，能夠有效地解決設計/制造一體化的問題。MBD技術可融入知識工程、過程模擬和產品標準規(guī)范等，將抽象、分散的知識更加形象和集中，使得設計、制造的過程演變?yōu)橹R積累和技術創(chuàng)新的過程，是企業(yè)知識的最佳載體。MBD技術的信息標準化表達和集成，為數字樣機應用提供了一體化的設計信息表達和交互的標準化方法，比傳統(tǒng)的CAD數模具有更大的優(yōu)勢。

大裝配技術

對于航空發(fā)動機這類結構復雜、零部件繁多的大型復雜裝配產品，利用CAD軟件完成產品各零部件的結構設計后，其產品幾何表示的信息量劇增。在進行復雜產品的大型零部件的樣機分析時，由于受到計算機系統(tǒng)的計算、顯示等硬件性能和軟件數據處理方式的限制，通常無法正常操作，需要綜合利用MBD和大裝配技術進行簡化。對于大裝配技術，重點應該放在裝配設計和裝配關系建模上，而不是將精力耗費在不需要顯示的數據上。實踐中綜合利用大裝配簡化技術和數字樣機，根據數模不同的精度研究，可以將數據量減少到原有數據的1%～25%。

基于數字化樣機的設計研發(fā)

基于數字化樣機的協(xié)同設計研發(fā)工作模式主要包含業(yè)務關系、主要角色和職責、一般模式、業(yè)務對象，以及業(yè)務對象與關聯(lián)技術的關系等。

協(xié)同設計研發(fā)的主要業(yè)務關系

基于數字化樣機的協(xié)同設計研發(fā)的主要活動和數據存儲都是在PLM系統(tǒng)上進行，與其他業(yè)務的關系如圖2所示。

圖2 協(xié)同設計研發(fā)與其他業(yè)務的關系

主要角色和職責

主要角色包括總師/總體、主任設計師/集成產品開發(fā)團隊（IPT）經理和設計員等。

總師/總體的職責為：負責產品的總體定義、設計的分工、批準、樣機評審和總體協(xié)調；建立全機骨架模型作為數字樣機的初始結構；完成產品CI劃分，確定數字樣機的組件分區(qū)、組件接口定義，完成產品定義初始環(huán)境的定義。

主任設計師/IPT經理的職責為：負責組件設計布局，部件設計分工，部件設計協(xié)調；建立組件骨架模型，管理分區(qū)數字樣機，負責空間分配和幾何協(xié)調；建立工作集，子系統(tǒng)等。

設計員的職責為：在工作集、子系統(tǒng)內完成具體的產品設計定義；在產品工作集內完成產品幾何定義，設計校驗、制造定義，解決設計不協(xié)調和沖突，確定產品技術狀態(tài)，發(fā)布設計結果。

協(xié)同研發(fā)的一般模式

協(xié)同研發(fā)的一般模式包括兩個過程，即初始化過程和協(xié)同研發(fā)過程。產品研發(fā)在進入詳細設計協(xié)同研發(fā)階段（詳細設計）前的初始化過程包括啟動產品研發(fā)—形成功能方案、確定產品功能分解結構—確定產品構型方案—審批批準方案—形成基于CI的產品分解結構—開始產品協(xié)同研發(fā)，協(xié)同研發(fā)過程如圖3所示。

圖3 協(xié)同研發(fā)過程

協(xié)同研發(fā)的主要業(yè)務對象

協(xié)同研發(fā)的主要業(yè)務對象包括分區(qū)、工作集、工作子集和設計元素等。

分區(qū)是組件、部件、分系統(tǒng)相對獨立的設計環(huán)境，用于組織和管理協(xié)同設計的數據，由對應的主任設計師/IPT經理負責。分區(qū)包括零件設計和子裝配，對應數字樣機的子樣機、分系統(tǒng)樣機、層次樣機。分區(qū)不僅僅是結構分區(qū)，還有分系統(tǒng)和子系統(tǒng)，而且分區(qū)也不是不能重合的，可以理解為研發(fā)的分解工作包。

工作集相當于方案驗證的“沙箱”，是設計元素的集合器，可包含多個子集。對工作集可相對獨立地進行設計過程管理，相當于一個“小產品”，主要用于不同方案的設計和驗證。工作子集則用于具體的子部件的設計和驗證。

設計元素是設計數據的具體表達和傳統(tǒng)的零件、裝配數模類似，在PLM系統(tǒng)中統(tǒng)一管理，包括所有構型管理信息和空間屬性，可以引用到各個分區(qū)中使用。除了一般設計元素外，還包括以下幾種特殊類型的設計元素：可重用件，包括標準件和成附件等；下位件，當進行裝配設計時，有時不但需要引用可重用件還要用到其裝配關系，可用下位件表達，如標準化的螺栓、螺母、墊片緊固件的裝配、成附件的裝配等；占位件，用于設計協(xié)調時空間占位的表達，如可確定輪廓但未完成的零部件和只需要輪廓空間的組件模型等。

協(xié)同研發(fā)業(yè)務對象與其關聯(lián)技術的關系

協(xié)同研發(fā)業(yè)務對象與其他相關技術大致的對應關系見表1。

表1 協(xié)同研發(fā)業(yè)務對象與其他相關技術大致的對應關系

數字樣機研發(fā)模式的優(yōu)勢

基于數字樣機的協(xié)同研發(fā)工作模式與傳統(tǒng)的工作方式（零件單獨設計—出打樣圖—線下協(xié)調—建數字樣機—發(fā)現(xiàn)問題—更改）有很大的不同：設計員根據任務分工負責CI的整體設計工作，而不是單個零件設計，有效解決內部協(xié)調問題；根據任務在指定的分區(qū)的數字樣機中工作，相對封閉，檢出零件最少，影響上級和全機樣機少；主要利用接口、幾何樣機和骨架模型進行協(xié)調；使用工作集在樣機環(huán)境下進行方案策劃，靈活直觀，加快方案成熟，減少不必要的更改?；跀底只瘶訖C的協(xié)同研發(fā)工作模式的上述特點，使之與傳統(tǒng)基于裝配的研發(fā)模式相比，具有如下優(yōu)點。

一是可以更加靈活柔性地組織設計數據。基于樣機的協(xié)同工作方式可以更加靈活、動態(tài)地加載相關設計模型，設計員可不受限制地瀏覽設計中或未定型的裝配設計，并在各級數字樣機中直觀地協(xié)調、討論方案。

二是設計元素生命周期相對獨立。每個設計元素擁有自身的版本和生命周期狀態(tài)，有獨立的全生命周期管理；而在傳統(tǒng)的基于裝配的設計過程中，設計元素只受裝配關系的影響和約束。

三是實現(xiàn)多重視圖。在傳統(tǒng)的產品設計中，組件存在于裝配之中，若要查看必須加載它的上級裝配件。在基于數字化樣機的協(xié)同研發(fā)工作模式中，可以在不同分區(qū)，不同工作集中靈活地查看方案并在數字樣機中協(xié)調與分析改進。

四是可以管理大型數據集。由于沒有了傳統(tǒng)的裝配結構關系限制，大型多關聯(lián)數據的數據結構更加簡單，管理更加高效。

五是數據鎖定更少。設計更新時只須檢出必要的設計元素，而不必檢出上級裝配件，大大減少了數據鎖定量。

六是使用工作集方式更加高效。使用工作集的方式進行方案設計時，與相鄰零部件協(xié)調設計時無須檢出更高級的上級裝配組件，也不必檢出裝配組件的所有零部件，只檢出必要的關聯(lián)零部件即可。

七是并行設計能力加強。由于設計員在工作集中設計具體的零件且使用動態(tài)靈活的方式獲得其他相關部件的信息，并在數字樣機中直觀地看到狀態(tài)，為設計—設計、設計—制造的并行協(xié)同工作提供了更加高效的手段。

結束語

基于數字化樣機的協(xié)同研發(fā)工作模式并非基于獨立的技術，它是數字樣機、MBD、模塊化構型管理和PLM等技術綜合應用的結果。在以往的應用實踐中這些技術往往單獨實施，效果都是局部和片面的，只有將這些技術有機結合起來，才能構建高效、實用的研發(fā)體系環(huán)境，融入日常的研發(fā)活動之中。