現(xiàn)代商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)過程高度復(fù)雜呻率，耗時(shí)漫長很澄。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)真正制造出來之前陌知，在虛擬制造環(huán)境中以數(shù)字樣機(jī)（DMU）代替物理樣機(jī)進(jìn)行各種設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)他托、模擬試驗(yàn)，對(duì)性能和可制造性進(jìn)行預(yù)測和評(píng)價(jià)仆葡，能夠大大縮短設(shè)計(jì)和制造周期赏参，降低產(chǎn)品的開發(fā)成本。

數(shù)字樣機(jī)是指對(duì)產(chǎn)品的數(shù)字化描述沿盅，與基于模型定義（MBD）把篓、產(chǎn)品生命周期管理（PLM）和模塊化構(gòu)型管理等技術(shù)一樣，是解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)復(fù)雜性的重要手段，也是實(shí)現(xiàn)“數(shù)字孿生”的重要基礎(chǔ)纸俭，如圖1所示皇耗。但長久以來，數(shù)字樣機(jī)僅用于設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)终睦、模擬驗(yàn)證等有限用途碘云，未很好地融入研發(fā)體系之中，無法有效支持 “數(shù)字孿生”否抛。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(shù)字樣機(jī)（DMU）融入設(shè)計(jì)體系拦腌，使其成為設(shè)計(jì)人員的日常工具。

圖1   利用大裝配簡化技術(shù)和數(shù)字樣機(jī)簡化壓氣機(jī)

數(shù)字樣機(jī)的作用

數(shù)字化樣機(jī)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的關(guān)鍵在于如何高效利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）數(shù)字模型言酪，建立良好高效的工作體系岭限，使其融入整個(gè)研發(fā)過程中。除了已知的數(shù)模輕量化和PLM等技術(shù)之外败饵，數(shù)字樣機(jī)還能夠通過與以下技術(shù)結(jié)合酣器，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)中發(fā)揮重要作用。

模塊化構(gòu)型管理技術(shù)

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)非常復(fù)雜熊过，研發(fā)過程需要通過細(xì)致地分解成不同的工作來完成吝重，模塊化構(gòu)型管理有助于將復(fù)雜的工作分解。在實(shí)際的研發(fā)中胖真，產(chǎn)品構(gòu)型管理的模塊化是和產(chǎn)品模塊化高度相關(guān)的沦匿，產(chǎn)品模塊化是與產(chǎn)品構(gòu)型項(xiàng)（CI）的劃分一致的，也稱為模塊化產(chǎn)品構(gòu)型管理振峻，是為適應(yīng)復(fù)雜技術(shù)產(chǎn)品構(gòu)型管理衍生出的技術(shù)臼疫，是實(shí)現(xiàn)模塊化管理的基礎(chǔ)。模塊化構(gòu)型管理技術(shù)為數(shù)字樣機(jī)的應(yīng)用提供了可管理的各級(jí)工作空間扣孟。

基于模型定義技術(shù)

基于模型定義技術(shù)烫堤，作為數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)制造的技術(shù)信息載體，是數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)制造體系中的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)凤价，能夠有效地解決設(shè)計(jì)/制造一體化的問題鸽斟。MBD技術(shù)可融入知識(shí)工程、過程模擬和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等料仗，將抽象、分散的知識(shí)更加形象和集中伏蚊，使得設(shè)計(jì)立轧、制造的過程演變?yōu)橹R(shí)積累和技術(shù)創(chuàng)新的過程，是企業(yè)知識(shí)的最佳載體躏吊。MBD技術(shù)的信息標(biāo)準(zhǔn)化表達(dá)和集成氛改，為數(shù)字樣機(jī)應(yīng)用提供了一體化的設(shè)計(jì)信息表達(dá)和交互的標(biāo)準(zhǔn)化方法，比傳統(tǒng)的CAD數(shù)模具有更大的優(yōu)勢。

大裝配技術(shù)

對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)這類結(jié)構(gòu)復(fù)雜臊癞、零部件繁多的大型復(fù)雜裝配產(chǎn)品辐逝，利用CAD軟件完成產(chǎn)品各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，其產(chǎn)品幾何表示的信息量劇增绣嫉。在進(jìn)行復(fù)雜產(chǎn)品的大型零部件的樣機(jī)分析時(shí)黄惭，由于受到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算、顯示等硬件性能和軟件數(shù)據(jù)處理方式的限制普计，通常無法正常操作祟俯，需要綜合利用MBD和大裝配技術(shù)進(jìn)行簡化。對(duì)于大裝配技術(shù)迂唤，重點(diǎn)應(yīng)該放在裝配設(shè)計(jì)和裝配關(guān)系建模上五妹，而不是將精力耗費(fèi)在不需要顯示的數(shù)據(jù)上。實(shí)踐中綜合利用大裝配簡化技術(shù)和數(shù)字樣機(jī)革惊，根據(jù)數(shù)模不同的精度研究辞皇，可以將數(shù)據(jù)量減少到原有數(shù)據(jù)的1%～25%。

基于數(shù)字化樣機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)

基于數(shù)字化樣機(jī)的協(xié)同設(shè)計(jì)研發(fā)工作模式主要包含業(yè)務(wù)關(guān)系骏卿、主要角色和職責(zé)符焊、一般模式、業(yè)務(wù)對(duì)象材彪，以及業(yè)務(wù)對(duì)象與關(guān)聯(lián)技術(shù)的關(guān)系等观挎。

協(xié)同設(shè)計(jì)研發(fā)的主要業(yè)務(wù)關(guān)系

基于數(shù)字化樣機(jī)的協(xié)同設(shè)計(jì)研發(fā)的主要活動(dòng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)都是在PLM系統(tǒng)上進(jìn)行，與其他業(yè)務(wù)的關(guān)系如圖2所示段化。

圖2   協(xié)同設(shè)計(jì)研發(fā)與其他業(yè)務(wù)的關(guān)系

主要角色和職責(zé)

主要角色包括總師/總體嘁捷、主任設(shè)計(jì)師/集成產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)（IPT）經(jīng)理和設(shè)計(jì)員等。

總師/總體的職責(zé)為：負(fù)責(zé)產(chǎn)品的總體定義显熏、設(shè)計(jì)的分工雄嚣、批準(zhǔn)、樣機(jī)評(píng)審和總體協(xié)調(diào)喘蟆；建立全機(jī)骨架模型作為數(shù)字樣機(jī)的初始結(jié)構(gòu)缓升；完成產(chǎn)品CI劃分，確定數(shù)字樣機(jī)的組件分區(qū)蕴轨、組件接口定義港谊，完成產(chǎn)品定義初始環(huán)境的定義。

主任設(shè)計(jì)師/IPT經(jīng)理的職責(zé)為：負(fù)責(zé)組件設(shè)計(jì)布局橙弱，部件設(shè)計(jì)分工歧寺，部件設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)；建立組件骨架模型傻椿，管理分區(qū)數(shù)字樣機(jī)阅秀，負(fù)責(zé)空間分配和幾何協(xié)調(diào)；建立工作集，子系統(tǒng)等京拣。

設(shè)計(jì)員的職責(zé)為：在工作集虽浆、子系統(tǒng)內(nèi)完成具體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)定義；在產(chǎn)品工作集內(nèi)完成產(chǎn)品幾何定義帜猩，設(shè)計(jì)校驗(yàn)休惰、制造定義，解決設(shè)計(jì)不協(xié)調(diào)和沖突落六，確定產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)箫乳，發(fā)布設(shè)計(jì)結(jié)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(gè)過程民氏，即初始化過程和協(xié)同研發(fā)過程浊丑。產(chǎn)品研發(fā)在進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)協(xié)同研發(fā)階段（詳細(xì)設(shè)計(jì)）前的初始化過程包括啟動(dòng)產(chǎn)品研發(fā)—形成功能方案、確定產(chǎn)品功能分解結(jié)構(gòu)—確定產(chǎn)品構(gòu)型方案—審批批準(zhǔn)方案—形成基于CI的產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)—開始產(chǎn)品協(xié)同研發(fā)久规，協(xié)同研發(fā)過程如圖3所示湖笨。

圖3   協(xié)同研發(fā)過程

協(xié)同研發(fā)的主要業(yè)務(wù)對(duì)象

協(xié)同研發(fā)的主要業(yè)務(wù)對(duì)象包括分區(qū)、工作集蹦骑、工作子集和設(shè)計(jì)元素等慈省。

分區(qū)是組件、部件眠菇、分系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立的設(shè)計(jì)環(huán)境边败，用于組織和管理協(xié)同設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)，由對(duì)應(yīng)的主任設(shè)計(jì)師/IPT經(jīng)理負(fù)責(zé)捎废。分區(qū)包括零件設(shè)計(jì)和子裝配笑窜，對(duì)應(yīng)數(shù)字樣機(jī)的子樣機(jī)、分系統(tǒng)樣機(jī)登疗、層次樣機(jī)排截。分區(qū)不僅僅是結(jié)構(gòu)分區(qū)，還有分系統(tǒng)和子系統(tǒng)辐益，而且分區(qū)也不是不能重合的断傲，可以理解為研發(fā)的分解工作包。

工作集相當(dāng)于方案驗(yàn)證的“沙箱”智政，是設(shè)計(jì)元素的集合器层筹，可包含多個(gè)子集。對(duì)工作集可相對(duì)獨(dú)立地進(jìn)行設(shè)計(jì)過程管理清截，相當(dāng)于一個(gè)“小產(chǎn)品”风踪，主要用于不同方案的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。工作子集則用于具體的子部件的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證莺肘。

設(shè)計(jì)元素是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的具體表達(dá)和傳統(tǒng)的零件荒懒、裝配數(shù)模類似，在PLM系統(tǒng)中統(tǒng)一管理峭跺，包括所有構(gòu)型管理信息和空間屬性装芬，可以引用到各個(gè)分區(qū)中使用。除了一般設(shè)計(jì)元素外新罗，還包括以下幾種特殊類型的設(shè)計(jì)元素：可重用件援栗，包括標(biāo)準(zhǔn)件和成附件等；下位件训奢，當(dāng)進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)時(shí)帘惜，有時(shí)不但需要引用可重用件還要用到其裝配關(guān)系，可用下位件表達(dá)饼暑，如標(biāo)準(zhǔn)化的螺栓稳析、螺母、墊片緊固件的裝配弓叛、成附件的裝配等彰居；占位件，用于設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)時(shí)空間占位的表達(dá)撰筷，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陈惰。

協(xié)同研發(fā)業(yè)務(wù)對(duì)象與其關(guān)聯(lián)技術(shù)的關(guān)系

協(xié)同研發(fā)業(yè)務(wù)對(duì)象與其他相關(guān)技術(shù)大致的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

表1   協(xié)同研發(fā)業(yè)務(wù)對(duì)象與其他相關(guān)技術(shù)大致的對(duì)應(yīng)關(guān)系

數(shù)字樣機(jī)研發(fā)模式的優(yōu)勢

基于數(shù)字樣機(jī)的協(xié)同研發(fā)工作模式與傳統(tǒng)的工作方式（零件單獨(dú)設(shè)計(jì)—出打樣圖—線下協(xié)調(diào)—建數(shù)字樣機(jī)—發(fā)現(xiàn)問題—更改）有很大的不同：設(shè)計(jì)員根據(jù)任務(wù)分工負(fù)責(zé)CI的整體設(shè)計(jì)工作毕籽，而不是單個(gè)零件設(shè)計(jì)抬闯，有效解決內(nèi)部協(xié)調(diào)問題；根據(jù)任務(wù)在指定的分區(qū)的數(shù)字樣機(jī)中工作关筒，相對(duì)封閉溶握，檢出零件最少，影響上級(jí)和全機(jī)樣機(jī)少平委；主要利用接口奈虾、幾何樣機(jī)和骨架模型進(jìn)行協(xié)調(diào)；使用工作集在樣機(jī)環(huán)境下進(jìn)行方案策劃廉赔，靈活直觀以息，加快方案成熟，減少不必要的更改祥怖⌒颂猓基于數(shù)字化樣機(jī)的協(xié)同研發(fā)工作模式的上述特點(diǎn)，使之與傳統(tǒng)基于裝配的研發(fā)模式相比抽胁，具有如下優(yōu)點(diǎn)噩檬。

一是可以更加靈活柔性地組織設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)∠布矗基于樣機(jī)的協(xié)同工作方式可以更加靈活肾轨、動(dòng)態(tài)地加載相關(guān)設(shè)計(jì)模型初禁，設(shè)計(jì)員可不受限制地瀏覽設(shè)計(jì)中或未定型的裝配設(shè)計(jì)，并在各級(jí)數(shù)字樣機(jī)中直觀地協(xié)調(diào)档徘、討論方案棘魏。

二是設(shè)計(jì)元素生命周期相對(duì)獨(dú)立。每個(gè)設(shè)計(jì)元素?fù)碛凶陨淼陌姹竞蜕芷跔顟B(tài)宝各，有獨(dú)立的全生命周期管理烹豫；而在傳統(tǒng)的基于裝配的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)元素只受裝配關(guān)系的影響和約束婴削。

三是實(shí)現(xiàn)多重視圖廊镜。在傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，組件存在于裝配之中唉俗，若要查看必須加載它的上級(jí)裝配件嗤朴。在基于數(shù)字化樣機(jī)的協(xié)同研發(fā)工作模式中，可以在不同分區(qū)虫溜，不同工作集中靈活地查看方案并在數(shù)字樣機(jī)中協(xié)調(diào)與分析改進(jìn)播赁。

四是可以管理大型數(shù)據(jù)集。由于沒有了傳統(tǒng)的裝配結(jié)構(gòu)關(guān)系限制吼渡，大型多關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更加簡單容为，管理更加高效。

五是數(shù)據(jù)鎖定更少寺酪。設(shè)計(jì)更新時(shí)只須檢出必要的設(shè)計(jì)元素坎背，而不必檢出上級(jí)裝配件，大大減少了數(shù)據(jù)鎖定量寄雀。

六是使用工作集方式更加高效得滤。使用工作集的方式進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，與相鄰零部件協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)無須檢出更高級(jí)的上級(jí)裝配組件百睹，也不必檢出裝配組件的所有零部件菊虏，只檢出必要的關(guān)聯(lián)零部件即可。

七是并行設(shè)計(jì)能力加強(qiáng)阳框。由于設(shè)計(jì)員在工作集中設(shè)計(jì)具體的零件且使用動(dòng)態(tài)靈活的方式獲得其他相關(guān)部件的信息桦材，并在數(shù)字樣機(jī)中直觀地看到狀態(tài)，為設(shè)計(jì)—設(shè)計(jì)旦氓、設(shè)計(jì)—制造的并行協(xié)同工作提供了更加高效的手段炮惕。

結(jié)束語

基于數(shù)字化樣機(jī)的協(xié)同研發(fā)工作模式并非基于獨(dú)立的技術(shù)，它是數(shù)字樣機(jī)汛刻、MBD射贡、模塊化構(gòu)型管理和PLM等技術(shù)綜合應(yīng)用的結(jié)果。在以往的應(yīng)用實(shí)踐中這些技術(shù)往往單獨(dú)實(shí)施瘾色，效果都是局部和片面的演苍，只有將這些技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來蛇热，才能構(gòu)建高效、實(shí)用的研發(fā)體系環(huán)境氧吐，融入日常的研發(fā)活動(dòng)之中绷旗。

原文

（ 馮潼能 楊偉俊 等 航空動(dòng)力 期刊）

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