工程系统规划与设计_5-1 并行工程.pptx

工程系统规划与设计 章文晋zwjok 第四章并行工程 本节课内容提要 并行工程概述 1并行工程概述 1 并行工程的产生背景并行工程 ConcurrentEngineering 简称为CE 是上世纪80年代后期在美国首先提出的新观念 并于90年代蓬勃发展成为一项新的工程技术 属于系统工程范畴 国内 外几十年来飞行器研制的经验和教训是 由于设计 制造 使用过程之间的不协调和不沟通 在整个产品研制过程中产生了大量的设计更改和返工 以致造成研制中的周期延长 费用增加 质量下降 1并行工程概述 1 并行工程的产生背景根据系统工程的理论 得出了一条已为广大技术人员和管理 人员所熟知的原理 在仅化费寿命周期费用 LCC1 3 的产品初始研制阶段 就已决定了90 95 的LCC 显然 巨大的设计潜力应当在设计过程中 特别是在设计一开始就应予以发挥 即在产品研制一开始 就应考虑决定LCC的基本要素 并把它们设计进产品中去 由此 并行工程第一次使上述理论变成了现实 1并行工程概述 2 并行工程的定义美国R I Winner在国防分析研究院 IDA R 338研究报告中的定义 并行工程是对产品及其相关过程 包括制造过程与保障过程 进行并行的 综合设计的一种系统化方法 这种方法力图使开发者从一开始就考虑到产品全寿命周期 从概念形成到产品报废 中的所有因素 包括质量 费用 进度与用户需求 1并行工程概述 3 并行工程的特点将传统的序列化研制过程转变为并行的 相互间不断有信息交流的交互作用的研制过程 强调协作精神 强调人在产品研制中的主动精神 1并行工程概述 4 并行工程的实施要素把用户需求转化为完整的产品和过程要求的规范化方法交互作用的相协调的并行研制过程是将设计过程 制造过程与保障过程的研制协调地予以综合 将传统的序列化的研制过程转化为并行的 相互间不断有信息交流的交互作用的研制过程 多学科 多专业 的综合产品研制机构综合计算机辅助工程环境 1并行工程概述 5 实施并行工程的巨大效益国外大量权威性的统计数据表明 并行工程能降低研制费用30 60 并行工程能缩短研制周期30 60 并行工程能显著提高产品质量 如 提高设计质量 使工程更改量减少2 3 提高制造质量 制造缺陷下降80 废品和返工减少了80 提高使用与保障质量 外场故障率下降了80 备件贮存量减少了60 1并行工程概述 5 实施并行工程的巨大效益反映在以下几个方面 降低研制费用对麦道公司 波音公司及IBM公司等单位的调查表明 采用综合产品研制可使费用下降30 60 其中包括 降低设计阶段费用 减少了加工 制造和装配阶段的费用 由于减少了返工和废品以及降低了零 部件库存而省下的费用 1并行工程概述 5 并行工程的巨大效益缩短研制周期对麦道公司等单位调查结果表明 采用综合产品研制可使研制周期缩短35 60 对复杂的武器系统研制来说 效果尤为明显 显著提高产品质量 包括 减少了重新设计 re design 和工程更改 减少了返工 re work 和废品 减少了缺陷和产品故障率 1并行工程概述 美国国防部对IPD效益的调查结果 1并行工程概述 美国国防部对IPD效益的调查结果 采用IPD后的工程更改数量比传统工程方法有明显减少 而且90 以上的工程更改已在产品交付前完成 采用与未采用IPD的工程更改量比较 1并行工程概述 6 并行工程的组织方式综合产品研制组织由 一个顶层的综合研制小组和下属的各分系统和主要项目的综合产品研制小组组成 顶层的综合产品研制小组一般由 产品研制的技术总负责人 如型号总设计师 任组长 由传统工程 专门工程 生产工程部门的技术主管 如各有关工程部门的副总设计师等 质量主管 合同主管 技术状态管理主管等组成 1并行工程概述 6 并行工程的组织方式然后 根据工作分解结构 WBS 选定重要的分系统 主要项目和部件 组建各个综合产品研制小组 各有关人员集中在一处工作 综合产品研制小组 IntegratedProductTeam 缩写为IPT 借助先进的通信工具 通过在工程研制人员中进行系统的通信 使他们能够及时获得有关的纵向和横向的交互信息 能够同时考虑产品的所有方面的问题 洛克希德公司的 臭鼬工程队 工作法 1并行工程概述 综合产品研制组织机构 1并行工程概述 波音公司IPT组织机构 1并行工程概述 波音公司IPT组织机构三个IPT层次的划分是以所承担任务的类别和研制顺序的先后为依据的 第一层IPT在公司下达的737 X的总体方案 结构布局 载荷分布等参数基础上 分解任务 协调和组织研制工作 第二层IPT承担全机重要零 部件及连接设计 如翼身对接接头 机翼前后梁 机身重要承力件 加强框 对接框的设计等等 第三层IPT承担详细设计任务 任务要分解到人 IPT小组数量较多 例如波音737 700 以737 300为原准机 为保持飞机有良好的结构继承性 737 700在结构上未作大的改变 第三层IPT小组数量相对较少 但也有约150个 1并行工程概述 IPT的人员组成及对成员的要求在组织IPT时 要特别强调IPT是多功能 Multifunctional 和多专业 Interdisciplinary 的小组 多功能是指包括与产品相关的各个功能领域 或部门 多专业是包括与该产品研制的各相关专业 特别是R M T S S专业的人员 IPT人员组成一般包括设计 制造 工艺 强度 重量 R M T S S部门和三维CAD绘图系统 CATIA 等方面的专家 材料 成本控制及各部门代表 甚至还包括市场 航空公司代表 供应商 承包商代表 根据任务完成情况或根据需要 对IPT人员还要不断调整 IPT在工作中以设计人员为中心 其他专业人员和部门代表配合设计 协助把来自各方面的要求和意见反映到设计中 使设计更加完善 1并行工程概述 IPT的人员组成及对成员的要求IPT工作法要求小组研制人员把每一道后续工作作为自己的用户 必须千方百计为用户提供最佳服务 即以产品为中心 把提高工作效率 提供优质服务作为主要目标 IPT工作法要求小组研制人员把每一道后续工作作为自己的用户 必须千方百计为用户提供最佳服务 即以产品为中心 把提高工作效率 提供优质服务作为主要目标 IPT小组要求成员关心设计进展情况 及时发现问题 及时解决问题 不得将问题留到设计后期再解决 1并行工程概述 IPT的指导原则IPT通过并行的产品设计来综合其产品 并利用优选的过程来完成其综合 IPT对他们的产品负责 IPT是一个团队IPT成员在同一地点工作IPT成员被授权可全权代表其专业或功能部门IPT在研制过程中将有变化 2并行工程中的规范化方法 1 运用 将用户需求转化为产品与过程要求的规范化方法QFD QualityFunctionDeployment 是一种把用户需求转化为产品开发过程各阶段技术要求的系统方法 运用 可将用户需求逐层分解展开为产品系统级要求 分系统 部件 零件技术要求 加工过程的工艺要求 生产要求 最后输出操作指令单 如是 则可做到由用户需求驱动产品研制 生产的全过程 2并行工程中的规范化方式 2 QFD的四类矩阵产品规划矩阵 产品规划矩阵又称 质量屋 它的功能是将用户需求转化为对应的产品系统级的技术特性 或设计特性 并确定关键技术特性 准备转入部件 零件展开矩阵 其转化过程可通过一系列规范化的步骤来完成 部件 零件展开矩阵 部件 零件展开矩阵 的功能是把前一阶段传下来的技术要求 或设计特性 特别是关键技术要求 转化为对应的零件特性与技术要求 并应确定出关键的零件特性 然后将其转入过程规划矩阵 2并行工程中的规范化方式 2 QFD的四类矩阵过程规划矩阵 过程规划矩阵的功能是把前一阶段传递下来的零件特性转化为对应的工艺要求 并为每个零件特性各准备一份工艺计划图表 该阶段要确定关键的工艺要求 对于这些关键的工艺要求 首先要在该阶段采取措施 如果问题在本阶段不能解决 还要向下一个步骤转移 作为生产规划矩阵的输入 生产规划矩阵 生产规划矩阵 的功能是把工艺要求转化为相应的生产要求 并通过操作指令单传递到生产现场 2并行工程中的规范化方式 3 QFD的规范化流程 2并行工程中的规范化方式 3 QFD的规范化流程确定用户的需求了解用户需求 亦即设法获取用户需求的原始信息 将原始的用户需求规范化 工程化用户需求重要度的排序 2并行工程中的规范化方式 3 QFD的规范化流程 用户需求的推演 2并行工程中的规范化方式 3 QFD的规范化流程产品规划阶段根据用户需求确定产品相应的技术特性 并构成 规划矩阵 确定用户需求与产品技术特性的关系矩阵 确定产品技术特性之间的相关关系 与其它产品的比较分析 市场评价 列出现有产品和对手产品技术特性的量值进行技术评价 2并行工程中的规范化方式 3 QFD的规范化流程产品规划阶段确定竞争策略为每个技术要求确定指标值计算每个技术要求的重要度确定技术难度选择应予进一步展开的技术要求 2并行工程中的规范化方式 3 QFD的规范化流程部件 零件展开阶段本阶段工作主要是通过构成 部件 零件展开矩阵 来完成 该矩阵的组成内容和步骤与 规划矩阵 相似 区别仅在于没有 规划矩阵 中的市场评价 竞争策略和技术评价这三项 在规划矩阵中确定的都是产品系统级的技术要求 应将其转化为分系统 部件 直至零件的技术要求 可以通过一系列的矩阵转换来实现这一过程 2并行工程中的规范化方式 3 QFD的规范化流程工艺过程规划阶段本阶段将上一阶段被选中的关键部件 零件特性转换为对应的工艺要求 两者构成过程矩阵的垂直列和水平行 分析其相关程度 填写关系矩阵 参考规划阶段有关步骤 确定关键工艺要求 另外还应为每个关键零件各准备一份工艺计划图表 表中列有关键零件的各特性 对应的工艺过程 对关键零件的重要参数建立的控制点及过程监控计划等 2并行工程中的规范化方式 3 QFD的规范化流程生产规划阶段本阶段进行产品生产规划 分析工艺要求 特别是关键工艺要求转化为相应的生产要求 对上阶段的重要工艺过程编写操作指令单 作为输出以指导操作人员进行具体的产品加工和检验 2并行工程中的规范化方式 3 QFD的规范化流程 各研制阶段对QFD的管理 3并行的研制过程 1 并行的研制过程上世纪90年代以来 在系统工程技术的基础上发展出的并行工程方法对产品及其相关过程 包括制造过程和保障过程 进行并行交叉的综合设计 并在研制初期就考虑到产品全寿命期内所有因素 包括性能 质量 费用 进度 风险以及用户需求等 其中特别重视用户的需求 运用 质量功能展开 QFD 技术 使用户需求得以驱动产品的研制和生产过程 并通过综合权衡技术使产品及其过程均予优化 保证用户能获得满意的产品 3并行的研制过程 2 研制过程并行运作方式的特点在研制过程中对产品自身的设计及其相关的制造过程和保障过程的设计同样重视 采取并行运作 根据并行工程的定义 并行工程就是将传统的产品设计过程及其制造过程和保障过程综合在一起进行并行 综合研制 使产品及其相关过程两方面都得以优化 并能显著降低其LCC和研制周期 3并行的研制过程 2 研制过程并行运作方式的特点 传统的产品设计和制造过程 3并行的研制过程 2 研制过程并行运作方式的特点 产品设计过程和制造过程的并行研制 3并行的研制过程 2 研制过程并行运作方式的特点传统工程 生产工程和专门工程综合 并行运作现代先进飞行器研制中包括的工程专业越来越多 一般分为三大类 即传统工程专业 生产工程专业和专门工程专业 传统工程专业是指与传统的产品设计相关的工程专业 如空气动力学 机械学 力学 结构学 电子学等等 生产工程专业是指各种生产系统设计和各类制造工艺技术门类 3并行的研制过程 2 研制过程并行运作方式的特点传统工程 生产工程和专门工程综合 并行运作专门工程是指与飞行器战备完好性和任务成功性密切相关的工程专业 如可靠性 维修性 测试性 保障性 安全性 人素工程等特殊专业 并行工程的实质就是将传统工程 生产工程和专门工程 R M S等工程 专业相综合 使这三项工程的专业技术能并行地 协调地 交互作用地融入研制过程 使产品的传统性能与质量特性同时得以满足并予以优化 3并行的研制过程 2 研制过程并行运作方式的特点 传统工程与专门工程的并行研制 3并行的研制过程 3 并行研制过程是一个不断改进的过程规划 执行 检查 更改过程 PDCA过程 规划 Plan 在规划阶段的工作主要是 什么问题是应予改进的 即确定问题 为什么 选择了这些问题 即分析原因 如何 解决这些问题 即提出解决方案 何时 解决这些问题 即制定行动规划 执行 Do 即执行最佳的解决方案 3并行的研制过程 3 并行研制过程是一个不断改进的过程规划 执行 检查 更改过程 PDCA过程 检查 Check 即对照原定目标和指标测定改进结果 并检查解决方案的效果如何 更改 Act 在需要时对解决方案进行更改 在更改后确立新的工作方式 并不断积累经验 最后 应确保过程的改进是持续的 直止产品整个寿命周期的结束 3并行的研制过程 3 并行研制过程是一个不断改进的过程 不断改进的研制过程 4并行工程的环境 1 并行工程环境概述并行工程的环境是综合的计算机辅助工程环境 该计算机辅助工程环境是实施并行工程的关键要素之一 它能极大地提高产品设计和制造的效率 减少设计更改和返工 从而显著改善产品质量 缩短研制周期 4并行工程的环境 1 并行工程环境概述并行工程要求在综合的计算机辅助工程环境中研制产品 以达到产品零件 部件和整机的产品定义相容 其主要的特点是 有效地综合利用现有的和新的计算机应用软件和数据库 各工程专业能在并行工程过程中进行综合 利用在线数据库 On linedatabases 实现对设计 制造和保障信息的管理 交换和重复使用 计算机辅助设计系统应适应本单位产品设计 制造和保障的具体环境和有关规定 并应符合相应的国家与工业标准 具有良好的 兼容的人员界面 humaninterfaces 和人机界面 4并行工程的环境 1 并行工程环境概述综合计算机辅助工程环境的作用是在产品研制中减少由于设计更改 错误和返工带来的质量下降和费用上升 每个产品从方案论证 详细设计 再经过工装制造 加工装配这一系列的设计和制造过程 由于更改而造成的成本将显著地增加 4并行工程的环境 1 并行工程环境概述应用综合计算机辅助工程环境可以在发图之前 进行零件 部件乃至整机的 维图形的协调 配合和预安装 以便及时发现零 部件 设备 管路相互之间的干涉与配合问题 利用该工程环境还可以同时进行产品性能及制造 保障过程的同步设计 以协调性能 可生产性和可靠性 维修性 保障性诸特性之间的关系 并进行综合权衡 从而可以显著提高产品质量 降低成本 4并行工程的环境 1 并行工程环境概述在并行工程中应用的综合计算机辅助工程环境大致包括 100 的3维数字化产品设计 电子样机 计算机辅助可靠性 维修性 保障性分析与设计 交互通信与数据传输技术等 4并行工程的环境 2 100 的3维数字化产品设计100 的3维数字化产品设计 3Ddigitalproductdefinition 是指所有的产品零 部件以 维形式在 系统中进行设计 并利用计算机传送设计数据集的数字化信息 产品的数字化设计是利用 工具设计产品零部件的 维图形 在特定的 系统中 零件可设计为 维实体模型 并可在计算机上装配 以检查干涉 配合状况 还可用计算机进行重量 应力等分析和计算 4并行工程的环境 2 100 的3维数字化产品设计在数字化产品设计中还包括数字化预安装数字化预安装 digitalpreassembly 是在计算上设计和安装零部件的过程 并在成套图纸发图之前和零件生产前检查零部件乃至整机安装配合的情况 实现数字化预安装的前提是进行数字化产品设计 其目的是为了减少设计更改和返工 数字化预安装是在计算机上模拟装配过程 它根据零部件设计 分析人员和工装设计人员要求 利用飞机系统各层次中的零部件模型实施预安装 4并行工程的环境 2 100 的3维数字化产品设计数字化预安装的主要工作是 利用数字化产品设计中得到的零件 维实体建立装配模型 设计人员进行数字化预安装 以发现零件装配中存在的配合 协调 干涉 同轴度等问题 发现问题后 设计人员相互协调 利用联机反馈文件传送存在问题的零件模型 并修改设计解决存在问题 将修改后的零件模型重新存入数字化预安装共享文件 通过飞机系统各层次中相关零部件的安装 配合 不断发现问题 修改设计 直到所有零部件的安装配合均满足设计要求为止 4并行工程的环境 3 电子样机电子样机 electronicmockup 是在计算机中产生的 维图象的样机 可以用来替代传统的物理样机 木质或金属样机 以协调结构及其内部设备 管路的布局 用电子样机协调结构及其内部设备 管路 缆线等被验证的对象可以达到前所未有的92 的合格率 其主要原因在于 电子样机提供了 维物体的点 线 曲面及其整体的图象空间 避免了两个物体占有同一空间的错误 电子样机则可以由设计数据库持续地更新其技术状态 以反映产品当前的真实状态 4并行工程的环境 4 计算机辅助RMS分析与设计计算机辅助可靠性 维修性 保障性 R M S CAD 是用来进行可靠性 维修性 保障性的综合权衡和分析 设计的重要工具 一般由数据库 模型库 用户接口等组成 其中既包括综合权衡的工具 如战备完好性模型 LCC模型等 也包括可靠性 维修性 保障性等各 性 分析和设计软件包 如是 在产品设计中可方便地使 专门工程 专业与传统工程专业进行并行的开发 4并行工程的环境 4 计算机辅助RMS分析与设计 计算机辅助RMAT工作站 4并行工程的环境 4 计算机辅助RMS分析与设计计算机辅助RMAT工作站组成 数据库 数据库包括输入数据和输出数据库输入数据包括 任务情景 标准费用因子 保障性参数 保障设备数据 硬件技术要求等输出数据包括 寿命周期费用 经济性比较 任务可靠性 可用性 保障资源要求 保障系统效能等 4并行工程的环境 4 计算机辅助RMS分析与设计计算机辅助RMAT工作站组成 模型库 模型库包括各种用于分析R M S 战备完好性和寿命周期费用的模型 如 LCCA模型 寿命周期费用分析模型 SOAR模型 战备完好性模型 RELOCK模型 可靠性框图分析模型 TEAM模型 测试设备完好性模型 4并行工程的环境 4 计算机辅助RMS分析与设计计算机辅助RMAT工作站组成 用户接口菜单驱动方式全屏幕编辑文档管理报告产生图形能力与空白表格软件的接口等 4并行工程的环境 4 计算机辅助RMS分析与设计 战备完好性模型战备完好性是衡量飞行器等装备效能的一个重要的综合性指标 它表示武器装备在任一时刻投入作战时 装备准备好能够执行任务的能力 战备完好性目标在平时与战时有所不同 以飞机为例 在平时 飞机的战备完好性目标一般可以使用可用度 A0 表示 而在战时则往往用出动架次率 SGR 表示 4并行工程的环境 4 计算机辅助RMS分析与设计 战备完好性动态仿真模型 4并行工程的环境 4 计算机辅助RMS分析与设计 战备完好性动态仿真模型该模型的输入包括 可靠性参数 如装备系统级与LRU的MTBF 维修性参数 如MTTR 虚警率 设备的模块化程度等 维修方案状况 如维修方式等 保障性参数 如备件的库存水平 保障设备的状态等 战术技术指标中要求的战备完好性目标值 如出动架次率SGR 使用可用度A0 4并行工程的环境 4 计算机辅助RMS分析与设计 战备完好性动态仿真模型该战备完好性综合模型可以输出三类结果 战备完好状态 装备可实际达到的出动架次率或使用可用度 飞机状态 飞机状态的测度 包括其满任务率 FMC 由于保障原因而不能执行任务率 NMCS 和由于维修原因而不能执行任务率 NMCM 等 保障系统状态 保障系统状态的测度包括预期的备件短缺量 EBO 由于库存LRU数量不足引起的延误 由于保障设备问题引起的修理排队长度 如由于保障设备故障 或保障设备不足造成排队等候而造成的延误等 4并行工程的环境 4 计算机辅助RMS分析与设计 算例 4并行工程的环境 4 计算机辅助RMS分析与设计 算例 4并行工程的环境 4 计算机辅助RMS分析与设计 算例上述的战备完好性不能满足要求 为了使战备完好性指标达标 可以采用如下措施 降低LRU的故障率减少LRU的MTTR增加LRU