航空发动机数字化协同研制技术的应用研究

刘晓玉　杨宁

【摘 要】本文通过分析航空发动机传统串行研制模式下存在的问题及并行协同研制的优势，说明了在航空发动机研制中采用并行协同技术的必要性，并进一步结合型号应用情况，梳理了航空发动机数字化协同研制技术推行中的关键技术。

【关键词】并行协同；数字化协同；联合开发团队；标准体系

中图分类号： V268.7 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）11-0040-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.016

1 串行工作模式下航空发动机设计存在的问题

在传统的串行工作模式下，航空发动机产品开发大致遵循“概念设计—详细设计—工程设计—加工制造—试验验证—设计更改”的流程。在这种工作模式下，航空发动机研制存在以下两个问题。

1.1 设计迭代周期长、设计优化困难

由于技术限制，在航空产品的设计阶段中获取的产品各类信息极为有限，设计初期难以全面考虑可生产性、可装配性和可维护性等众多因素，从而导致产品设计中的大量设计更改，构成从概念设计到设计更改的大循环，延长了设计迭代周期。

1.2 研制周期长、研制风险大

航空发动机产品具有结构复杂、性能要求高、制造工艺复杂、生产周期长等特点。在传统的串行模式下，生产准备必需在设计数据完整定义后才能进行，而占有大量生产制造时间的生产准备工作，所用到的设计信息很多都可在设计初期或中期确定，传统的串行工作模式并没有将确定的设计信息进行及时有效利用，从而延长了产品的整体研制周期，加大了产品研制的风险。

2 并行协同工作模式的优势

并行协同研制工作模式采用产品联合工作团队的工作方式，它在产品设计的同时，同步设计与产品生命周期相关的要素，力求使产品的开发者在设计阶段就考虑从概念到投入使用的整个生命周期内的所有因素，包括结构、性能、制造、装配、检验、维护、成本和质量等。相对传统的“串行”的过程，并行协同研制采用的是“并行”的过程，在设计阶段集中有关产品研制周期的各部门工程技术人员，共同进行产品设计，同时，采用基于模型的定义技术，依靠仿真分析软件对产品的性能和有关要素进行动态仿真、分析和评估，提出设计优化建议，以取得最优的设计效果。这样设计的产品不仅有良好的性能，且易于制造、检验和维护，同时减少了设计更改的数量，缩短了设计迭代周期。

同时，并行工程强调时间上的“并行”，基于设计前期已确定的信息同步开展下游的工作，通过对产品设计信息进行分阶段的定义，可确保不同阶段的设计信息的有效利用，如根据设计定义的零件毛坯信息进行原材料订货、根据产品大致的结构进行工具工装设计等，通过这种方式可促进下游工作的提前启动，相对缩短制造环节的生产准备周期，从而缩短产品研制的周期。

3 航空发动机并行协同技术推进中的关键技术

3.1 构建产品联合开发团队（IPT）

IPT是产品协同研制的组织基础，通过成立联合开发团队，确定联合设计的职责，可打破厂所、部门间的物理界面，构建基于项目的跨学科、跨单位、跨地域的联合研制团队。航空发动机产品研制的IPT一般以航空发动机产品分解结构为基础构建分层级的结构，每个IPT小组内都包括设计、仿真分析、工艺、装配、检验、维修等多专业技术人员（图1）。通过IPT工作的开展，制造、检验等技术人员可依据自身经验和专业能力为设计提供优化建议，增强设计的工艺性和可制造性，提高设计质量，同时使设计下游业务人员更好地理解设计意图，提高后续加工制造环节的设计符合性。

由于IPT是一种以项目为核心的跨单位组织，原则上IPT不受任何单位的制度约束，故在项目IPT组建的同時应明确其管理办法，包括各级IPT小组的职责、人员变动管理、IPT小组成员角色及其职责权限等。

3.2 IPT协同工作方式

IPT的协同工作方式包括即时协同和基于流程的协同两种。其中，对于跨地域、复杂产品的IPT组织，一般采用即时协同的方式，即通过网络环境下在线同步工作的方式，进行协同的人员通过交互式CAD工具对产品的设计进行在线讨论和操作，通过对CAD模型的同步编辑、同步标注、语音文字同步传输等功能，实现异地用户对共同设计数据的同步讨论。即时协同具有协同效率高、协同程度深、协同效果好的特点。

基于流程的协同是一种基于研发系统进行数据确认和信息反馈的方式，当需要进行协同时，设计人员对数据发起相应流程，IPT成员基于流程进行意见反馈。基于流程的协同具有过程信息易于记录、易于追溯的特点，但协同效率偏低。

3.3 构建支撑协同研制的协同工作环境

随着发动机行业内各厂所间协同工作的深入，工作交叉越来越多、各厂所信息数据的交互越来越频繁，原有的以单位为单元构建各自独立的数字化工作平台，依靠频繁的系统架构适应性更改实现与特定厂所的信息交互的方式已不能满足型号协同研制的需要。构建可以支持异地多厂所之间信息共享、集成、传递，支持协同工作机制和主要业务流程的协同研制平台，是推进行业“大协同”和型号协同研制深入开展的基础。为更好地支持协同研制工作，协同研制工作平台应实现如下功能：

3.3.1 统一的集成软件版本，保证数据的可读性。

航空发动机产品在研制过程中会产生众多的信息，软件的类型和版本直接影响其在其他系统中的可读性。通过统一主要信息定义的软件类型和版本，可保证数据使用的准确性。软件版本在统一的过程中应充分考虑已有信息的可读性，及未来产品信息定义的需求，一般软件应统一为相对高版本。

3.3.2 统一的信息模型，保证数据传递的准确性。

信息模型是系统软件进行信息管理和组织的方式，每个信息都通过信息模型中的相应元素来进行信息化定义，同时信息系统通过对信息模型中各类信息的识别来判断信息的类型和所属对象等。在设计PDM系统中，信息模型主要包含Item类型、Item及ItemRevision的属性、BOM配置规则及BOMLine属性、Item文件夹结构及数据间关系等。统一信息模型是确保数据顺利交互，保证传递数据准确性的基础。

3.3.3 统一公共资源，保证共用信息定义的一致性

在发动机产品定义过程中，存在许多公共基础信息，包括材料信息、标准信息、标准件信息等，这些信息依据一定的标准规定进行描述，在各型号和各单位间具有普遍性和一致性。对这些信息的数字化定义直接影响后续生产加工等信息使用环节中对共性信息的识别，如原材料和标准件的采购和管理，工艺标准的执行和变更管理等，从而影响对公共资源的统筹规划、管理，增加生产成本，影响生产效率。构建公共资源库，可实现从设计源头对公共信息的一致性描述，从而方便工厂进行公共信息的识别和公共资源的统筹管理。

3.3.4 实现跨系统的流程执行和即时协同

如3.2节所述，为支持基于IPT组织模式下的跨地域、跨单位协同工作，协同研制平台应具有跨系统流程执行和即时协同的功能。此部分工作的重点在于跨地域的各系统间的网络连通、系统数据的安全性和保密性控制、基于型号或项目的人员角色定义和权限管理、即时协同工具软件对CAD软件的集成、即时协同过程中过程数据的记录和管理等。

3.5 形成基于模型的产品定义方式

发动机产品的协同研制不但是工作内容协同和流程协同的过程，同时是基于单一数据源实现产品数据集中管理和产品数据重复利用的过程。基于模型的定义（MBD）是一种有效的方式。它不但可以突破传统的以二维图为中心，三维模型为辅的管理模式下，设计数据定义重复，图纸解读困难的问题，同时可保证设计过程中性能仿真、强度仿真、加工仿真、装配仿真等仿真过程所使用的3D虚拟数据与设计数据的一致性，从而提高仿真的准确性和可参考性，优化协同研制效果。在MBD的技术体系中，MBD数据集内容包含设计、工艺、制造、检验等各部门的信息，在数据管理系统和研制管理体系的控制下，各职能人员可以共同在一个未完成的产品模型上协同工作，是协同研制工作的载体。同时，MBD模型作为一种数字化定义的数据，其各类信息可方便地被各类系统所識别，是后续数字化加工的数据源，是实现设计制造一体化转变的基础。

MBD不是简单的三维模型加三维标注，它不但定义了设计几何信息同时定义了三维产品加工制造信息、使用维护信息等全寿命周期的产品信息，同时包含非几何的管理信息（产品结构、BOM、属性等）。这种集成化的产品信息定义体系对数据管理系统的集成功能和组织管理方法提出了极大的考验。目前航空发动机已形成基础的MBD定义体系，实现了设计信息的三维数字化定义，通过典型型号的推广验证了三维数字化加工的可行性，但实际工程经验尚且不足，对MBD体系的研究尚且需要深入。

3.6 构建支持协同研制的标准体系

协同研制的推广使航空发动机产品研制从单一单位参与逐步向全行业共同参与转变，工作模式从串行工作模式向并行协同工作模式转变，这种变化必然对型号研制的管理和研制工作的有序进行提出更多的挑战，构建支持协同研制的标准体系，保证型号协同研制过程中有据可循，各项工作有序进行是协同研制工作推进的基础。

协同研制标准体系应是航空发动机协同研制过程中所需标准组成的科学有机体，涉及协同研制过程中的各项活动，包括协同研制管理标准，协同环境标准、数字化产品定义标准三个类别，如图2所示。