飞机数字化设计平台建设构想

1、飞机数字化设计平台建设构想蔡安西安飞机工业（集团）有限责任公司摘要：针对cad、cae及pdm在设计部门应用现状，提岀了与新一代飞机设计过程 和符合的数字化设计平台建设构想，供有关方面参考。关键词：数字化设计平台1引言20世纪90年代中期，数字化设计制造技术在国内e机制造业己开始研究，并在产殆数 字化定义、虚拟装配、产品数据管理、数字样机、设计与制造信息集成、并行工程等技术应 用上取得了重大进步。这些技术的应用，在缩短研制周期、降低成本、捉高质屋方面发挥了 一定的作用。但这些成绩都是建立在早期的产品研发流程z上的，其产生的影响仅反应在产 品研发的详细设计阶段至产品交付过程屮，而对于详细设计阶段

2、z前的应用研究并没有长足 的进步，致使产品更新迭代的进程较慢，开发手段落厉，不能形成自主研发新品的设计能力。在总结信息化应用的同时，借鉴设计与制造信息集成的方法，提出了飞机数字化设计平 台建设的构想，以解决设计阶段cad/cae/ca0数据、过程和工具的管理问题，有效整合企业 内软、硕件资源，提高设计效率，增强对市场快速反应能力。2飞机数字化设计平台现状及存在的问题2. 1 e机数字化设计现状飞机的研制过程既是一种丄程技术，又是一种管理技术。传统的飞机的研制过程主要经 过方案设计阶段、初步设计阶段、工程发展阶段、生产阶段及使用阶段，即从产品研发到产 品报废的全生命周期。随着cad/cam技术、

3、计算机信息技术、网络技术、数字化加工设备的发展和在飞机 设计、制造中的应用，从根本上改变了传统的设计和制造方式。在e机研制过程中全而采用 数字化的三维设计、虚拟装配、并行工程，对产品实施全生命周期管理。并且，在设计过程 中应用cae対产品进行分析、计算及仿真，大幅度提高设计水平，以期望最大限度地减少 设计返工，缩短硏制周期，降低硏制成本。从国内各人飞机公司的情况来看，在型号研制过程屮虽然严格按照gjb3206技术状态 管理对型号进行管理，实施自上而下的设计方式，采用cad进行产品数字化定义，但数字 化应用仅仅体现在将原有的二维图纸应用cad软件设计为三维模型，cae分析停留在强度 校核，对产品

4、研制全过程并没有人幅度的提高。从国外各大飞机公司的情况看，面对激烈的市场竞争，它们己将飞机研制这个庞大的系 统工程划分为总体设计阶段、工程研制阶段和产品服役阶段。并将在垠体现设计水平和设计 能力的总体设计阶段着重进行发展，总体集成设计系统的发展上已进入第三代系统。作为国内e机设计制造主要基地之一的西飞公司，在工程研制阶段数字化应用达到了国 内的领先水平；随着ma60飞机外援外销工作的拓展，对产品服役阶段的数字化丄作现己 展开；但对型号口主设计和创新设计的总体设计阶段，至今为止还没有一套nj用的飞机集成 设计环境，因此非常冇必要借鉴国外第三代飞机总体集成设计系统的思想和经验，建立一套 在产品全生

5、命周期内，在单一数据源管理构架下的全新的飞机数字化设计平台，以实现西飞 公司自主设计水平和设计能力的跨越式发展。2.2存在的问题由于飞机设计在产品研制过程中的特殊性，除了借鉴国外最新一代总体集成设计系统的 思想和技术外，还应该结合西飞公司的实际情况，分析现有设计体系的根本问题，以便冇针 对性地建设适介西飞公司设计情况的飞机数字化设计平台。西飞公司日前的实际情况是，商 业软件在设计过程已冇应用，但软件种类和数量繁多，并月很多软件来自不同的公司，存在 的突出问题如下： 由于某些原因，各种分析仿真软件分散在相关专业由少数设计人员手中，软件无 法充分共享，无法充分发挥其应冇的作用，而且由于软件使用知识

6、和经验掌握在个人手中， 难以积累和重复利用，造成资源浪费。 各种软件没有按设计流程进行集成并形成专用设计系统，人部分数据流衔接需要依 赖人工完成，这种设计丄具的孤岛状态造成过程效率低、可靠性差。 各学科独立设计、难以协调，各级模型相互关系松散，难以实现飞机综合性能的提 高和优化，难以通过先进软件的应用实现总体设计能力的提升。 设计方案的评估主要依靠工程算法或简单的线性方法，改进和优化丄要依靠设计 人员的经验，对于越来越髙的设计要求和越来越复杂的产品，这种设计模式存在先天的局限 性。 设计流程不够清晰和规范，单次设计循环的代价过高，设计过程和结果难以重现； 项目的执行和监控仍主要依赖大量协调会议

7、和碰头会，项目的状态和进度难以冇效控制；由 于管理效率很低，从而制约了先进软件的应用效果。飞机设计的各阶段涉及的分析软件种类非常多，尤其是在总体设计过程中，各学科交叉 最多、软件z间的耦合关系也授强，因此以上问题严重制约了飞机设计能力的提高。3建设飞机数字化设计平台的必要性e机设计过程中，总体设计阶段是非常重要的阶段，涉及到诸多学科专业，对于e机最 终性能和经济性有着很大的影响。与丄程设计阶段、产品服役阶段不同，飞机总休设计需耍 全面考虑各个专业的需求，需要综合考虑各系统z间相互联系、和互依存、相互制约的关系, 并通过不断地折衷和综合，进行大量的方案对比，不断地进行改进迭代，最终确定综合性能

8、（或总体性能）最佳的设计方案。在整个e机研发过程中，总体设计阶段所花费的时间至多占总工作时间的20%25%, 所花费资金不大于5%10%,而所作的方案决策却占了 75%弋0%（飞机全寿命费用见图1）。 因此飞机产品的命运在很大程度上依赖于总体设计决策的止确性。总体设计阶段所犯的错 谋，不仅将导致后续设计花费过多的资金和时间，而且还可能影响到方案实现的可能性，因 此总体设计是整个飞机研发过程屮责任最重人的阶段。随着现代飞机性能越来越先进，系统 z间相互影响与制约的关系也越来越复杂,作为综合这些系统的飞机总体设计的作用也越来 越垂耍。注：1 rdte：论证、研制、试验和鉴定阶段2 acq：生产采购

9、阶段3 0ps：使用阶段4 disp：处習阶段图1各阶段工作对飞机全寿命费用的影响4飞机数字化设计平台建设构想4.1总体思路飞机数字化设计平台的建设必须从飞机总体设计方法和流程的角度出发，同时结合组 织结构和管理体系综合考虑。任何产品的研发都包括总体设计、工程设计和产品服役三个大 的阶段，这三个阶段的特点截然不同，总体设计是从设计要求开始，形成满足设计指标的设 计方案，整个过程是面向需求的。工程设计则是将设计方案转化为可制造的产品，整个过程 是而向制造的。产殆服役则是产殆使用、服务的过程，整个过程是而向使用的。国内企业产 品研发的传统做法是重视工程设计而不重视总体设计，忽视产品服役，并且数字化

10、体系的构 建更多地孤立地考虑工具体系的数字化，而没有以总体设计方法和流程作为指导思想，因此 使得过去数字化建设的努力未能很冇效地转化为自主设计、创新设计能力的提高。从提升自主设计和创新设计能力的介度出发，建设飞机数字化设计平台z前必须首先研 究e机总体设计方法和流程，然厉从如何保证这一设计方法和流程有效贯彻的角度来考虑系 统架构的设计。经过分析，飞机总体设计方法和流程具有以下特点，并对设计系统也提岀了 相应要求： 飞机的总体设计过程应该是一个从粗到细，逐渐逼近的过程。在飞机设计全过程, 工作量和费用消耗呈指数增另一方面，在工程设计z前就需要完成70-80%的信息决策。 新产品的设计如果直接从工

11、程设计开始，设计的人循环和反复将造成巨人的成本和时间浪 费，1何且也无法保证设计收敛到所需产品。这一特征对设计系统提出了三个要求，一是要具 有发散式地快速形成多种粗线条方案的能力，二是耍具有对方案不断进行逐级细化的能力， 三是应该具备复杂程度不同的工具，以便适应不同设计阶段的不同需求。 介理的飞机总体设计过程还应该是一个从耦介到解耦的过程。从飞机设计过程看, 工程设计阶段是工作量最巨人的阶段，并行工程在这一阶段最有意义也最需要，而能否在工 程设计阶段实现并行工程，关键在于总体设计阶段是否充分考虑了各专业学科之间的制约和 平衡关系，止是这点要求飞机各专业学科在总体设计阶段尽早耦合和尽早解耦，耦合

12、的目的 是为了解耦，越多地在总体设计阶段解决了系统内的冲突和矛盾，也就越多地减少了工程设 计阶段的交叉和耦合，从而也就越有利于工程设计阶段的并行。这一特征对设计系统提出了 两个要求，一是尽可能在总体设计阶段考虑更多专业学科，二是尽早和充分地考虑学科的关 联，以及进行各专业学科之间的协调和权衡。 rtr于越往前期信息量越少，以及专业学科z间高度复杂和非线性的关联关系，飞机 总体设计本质上要求设计过程进行大量循环和迭代，这一 特点要求设计系统一是尽可能便于 进行设计更改，二是尽可能便于高效率地进行人量设计循环和迭代。飞机研制过程的三个阶段的数据必须保证单一数据源，数字化设计过程应将企业的 设计经验

13、进行固化的管理过程。4.2建设方案飞机数字化设计平台的建设方案如下图2所示。总体设计阶段工程研制阶段产品服役阶段图2飞机数字化设计平台框图e机数字化设计平台由基于知识的数字化设计管理系统、£机集成设计环境、产品数据 管理系统、产品使用保障系统、网络层及底层资源组成。主要建设内容： 底层资源：底层资源是飞机数字化设计平台的基础，包括模板库、mdm、以及各类 工具管理系统和所冇建模、气动、冇限元、动力学、多学科软件和优化工具软件、 用户使用的管理工具、客户服务软件、信息处理系统等。资源的集屮管理和共享在 该层实现。 网络层：网络层是底层资源与专业设计系统、产品服务、用户之间的纽带，负责连

14、 接系统的各个组成部分并提供数据服务、计算服务和通信服务，是系统的中间件和 软件总线，是保证单一设计数据源的通道。 总机集成设计环境：e机集成设计环境是设计人员直接操作的界面，它们根据各自 需求通过网络层向底层资源捉出数据和计算请求，并对底层资源返冋的信息进行分 析处理，其特征是冑接面向丄程问题，符合设计人员使用习惯。集成设计环境主要 面向总体、气动、结构、强度、气弹与飞行载荷、系统各专业。集成设计环境通过 网络层连接实现协同设计。 产品数据管理系统：飞机研制全生命周期内的数据由产品数据管理系统实施管理, 保证单一数据。 基于知识的数字化设计管理系统:基于知识的数字化设计管理系统是保证口上而下

15、 的设计、制造和产品服务过程，同时确保整个产品研制过程处于受控状态，减少状 态会议和报告。 产品使用保障系统：提供对用户的培训、技术支持和产品使用信息的处理。同时, 收集用户使用过程中的信息，整理归并厉，反馈至设计，以对产品进行改进、改型。这种平台架构，町有效地为plm管理产品研制全生命期的工程数据，使设计工具和设计 技术灵活地适应产品研制的不同变化，并为管理者提供高效的技术管理窗口，为设计人员捉 供更方便的设计工具和知识丿牟，从而加快新产品的硏发速度，提高产品品质，获取产品的竞 争优势。5结束语产品研发需要大量与产品创新相关的信息技术作为支撑。搭建一个涉及多学科设计优 化、设计分析口动化、可靠和稳健于一体的数字