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数字化环境下民用飞机研制方法和管理的理念和思路 |
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作者：成飞民机工程部 李少波 冯钊 |
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号称“工业之花”的航空工业，作为高技术和知识密集的产业，已经不可怀疑地成为一个国家工业化发达程度的标志。由于民用飞机高的回报/投资比率，民用飞机制造业也已经成为各工业发达和高速发展国家竞相逐鹿的领域。与一般工业产品相比较，民用飞机，特别是大型客机，产品复杂、技术难度高，而作为民用飞机制造业的民用飞机工业则具有涉及学科、专业领域众多、产业链长且高度集成现代科学技术与管理最新成果等特点。随着数字化技术在航空工业领域上的应用，民用飞机研发、设计、制造和使用流程也发生了根本性的变化，而民用飞机技术和民用飞机工业本身的复杂性也给数字化技术提出了更高的要求，有力地促进了数字化技术的发展。先进数字化技术的应用使民用飞机研制模式也由僵硬的线性模式进化为灵活的并行模式，并且呈现出以数字化环境为依托、以飞机全寿命为时间轴的一体化特征。本文在分析民用飞机技术和民机工业复杂性的基础上，就数字化环境下民用飞机研发、设计、制造流程融合的理念、思路和发展趋势作一探讨。
1. 民用飞机工业技术与管理流程的复杂性
民用飞机产品具有气动外形要求严格、内部空间紧凑、结构复杂、内部各类系统布置密集、人机界面要求高，以及零组件种类多、数量巨大等特点。民用飞机，包括大型客、货机和公务机等，还具有根据客户需求进行定制的特点，项目管理和生产组织上存在批量化与客户化单架次构型要求的矛盾。
民用飞机研发、设计和制造要求严格。作为涉及人身、社会安全的产品，国家设立有专门的政府机构对飞机的设计、制造和使用实施法律性的适航性强制管理。在航线使用中，飞机寿命长，且使用过程必须按适航性要求实施严格的控制，飞机的设计和制造商必须全方位地参与飞机全寿命过程的适航性管理（监督、控制）和技术支持(备件服务和航线使用咨询)，其参与的方式和程度都不同于一般性工业产品的售后服务。
民用飞机研制过程涉及多门学科和专业领域、研制参加人员众多，而且一个新型号飞机的研制往往也要应用所能获得的最新技术成就（或者为适应飞机技术指标要求而研制的新产品、新技术）。这种对高精技术的追求，使得即使是波音和空客这样的世界一流民用飞机企业也不能独立完成整个飞机的制造。除了飞机发动机、起落架、风挡等成品需要专业厂家设计、制造并由飞机制造商集成到飞机上外，飞机机体上的蒙皮、框等零件的材料，以及装配连接件也往往需要从制造商处进行采购，供应链长，供应商往往高达上万家。如何对这一过程中人、物、链关系进行协调，也是飞机研制过程的难点。
飞机产品的技术复杂性，使得飞机研发、设计和制造等过程呈现出分阶段进行、节点评估和控制的管理流程。图1 为一民用飞机的典型研制过程示意。研制的实际经验表明，飞机（特别是大型民用客机）一般很难直接走完全部流程，期间的迭代、返工、重大修改不可避免，往往造成很大的经费浪费和时间延误。如何合理安排研制流程，减少颠覆性的重大更改，一直是民机研制过程关注的重要问题。
图 1 民用飞机的典型研制流程
2. 数字化环境下民用飞机研制管理的理念和思路
航空工业是最先应用计算机这一人类伟大发明的行业之一。计算机在航空工业上的应用经历了几个发展阶段：利用计算机高速、强大的数值计算能力进行气动外形、飞机强度特性计算；把计算机作为辅助设计、分析和制造的工具；基于计算机海量数据存储和处理功能、利用网络的数据传输、数据共享而实现的异地设计、管理和制造等技术，每一次进步都极大地提高了飞机设计和制造的效率。上世纪九十年代，波音777 飞机实现了无纸化设计，并首次实现了基于数字平台的设计、制造并行工作理念，极大地缩短了飞机的研制流程，节省了飞机的研制经费。
随着数字化技术的发展，包括飞机研发、设计在内的整个飞机工业呈现出多地点、多专业、所合作伙伴的全球协同的新趋势，在这种模式下，飞机总制造商和研制部门（如波音或空客公司）只是负责飞机的总体设计和工作包界面控制，而飞机部件则以工作包的形式交由供应商实施详细设计和制造，供应商将工作包以物质产品形式交付给飞机装配制造商，并参与使用过程中的持续适航性管理。实践证明，这种方式能够更充分地发挥供应商的技术优势，缩短飞机研制成本并减轻飞机制造商的负担。波音公司在787 机型的研制中已经成功地使用了这种模式，而空客公司在A350XWB，庞巴迪公司在C 系列飞机的研制中都正在采用这种模式。在这个过程中，数字化技术真正由设计、制造的辅助性工具发展为必不可少的研制平台。
为了适应数字化应用的要求，民用飞机研制管理模式在理念和思路都发生了巨大的变化，抛弃了许多传统的概念和方法，呈现出革命性的全新模式。目前，先进的数字化技术已经发展为先进的数字化平台，将人力、工具和物质资源在这一环境下融合为一个整体。下面就数字化环境下民用设计、制造过程中的关键性技术理念、思路和应用方式等作一分析。
2.1 产品定义手段的变革：基于三维数模为特征的数字化定义技术MBD
数字技术在产品设计中的应用经过了由辅助设计（绘图）工具，并利用网络传输实现设计数据的共享。目前，以CATIA V5 为典型代表的设计软件架构遵循了飞机的工业化研制的程序，而其采用的基于三维数模为特征的数字化定义技术（MBD）实现了飞机零、部件的描述由纸面描述向数字化定义的进化，该技术不仅改进了飞机零、部制造模式与协调方法，也克服了飞机设计、制造数字化平台搭建上的这一的关键性技术瓶颈。由于飞机气动外形要求，无法用一般机械行业所采用的尺寸定义和公差配合方式来描述与外形相关的零、部件几何特征，所以在传统的机体制造过程中，飞机机体零、部件制造采用模线样板-标准样件方法来协调产品的形状和尺寸，并实现其从二维纸面表达到实物的模量化传递。在这一数据传递过程中，一方面形状和尺寸传递环节多，传递工具（模线、样板等）受温度、环境变化影响大，最终形成较大的误差，另一方面，通过模量方式来描述零、部件之间的相互关系，也给零、部件的生产管理和使用造成很大的困难。（实物型）数据复制、传递和共享的困难也成为航空产品的异地协同制造的技术瓶颈。
基于三维数模为特征的数字化定义技术（MBD）实现了飞机零、部件几何定义从模拟量到数值量的描述，保证了产品定义数据在传递、共享和制造过程中的唯一性和稳定性。一个完整的MBD 数据不仅包含了产品详细几何形状信息，而且以可提取的表单信息包括了公差要求、表面粗糙度、表面处理方法、热处理方法、材质、结合方式、间隙的设置、连接范围、润滑油涂刷范围、颜色、要求符合的规格与标准等所有信息。而这些信息的可提取性又为实现产品信息的数据库化管理和网络共享提供了可能性。
以 MBD 为代表的数字化定义技术的应用和相关标准的制定，不仅消除了形状和尺寸的传递误差，即所谓装配过程中实现了“零误差”，保证制造出高质量的飞机产品，也促进了数控加工及成形技术、数字化测量技术、复材构件成形技术和先进装配技术和质量保证技术等的发展。以MBD 为特征的数字化技术构筑了民机先进制造技术的主体框架。
2.2 民机研制手段的变革：数字仿真技术
以数字化虚拟产品开发、虚拟试验和虚拟制造，数字化模拟人机界面的虚拟现实技术等为主要应用领域的数字仿真技术的应用，构成了实现飞机研制数字化另一个重要技术支撑点。
在飞机研制过程中，需要投入大量的时间、资金和人力资源进行市场分析、设计方案确定、安全性（适航性）和制造性分析等工作，而这一过程影响因素多，往往导致研发过程中“实际状态”与“理想期望”不一致，甚至后期结果否定先期方案，给新型号飞机研制带来了巨大风险，成为了新机型研制的巨大障碍。另一方面，为了验证新飞机方案的可行性，需要在早期制造实物样机、概念验证“选型”试验等工作，这不仅需要资金、时间的投入，而且为了避免研制风险，往往不得不采取较为保守的方法，更多地强调对成熟技术的应用，降低了飞机的先进性，从而减低了产品市场竞争力。
依据现代数值计算理论、计算机图形技术等而形成的先进数字仿真技术，从项目起始阶段的可行性论证，并随着项目开展的进程，也即在随后的概念设计，详细设计，制造、取证飞行与调整，甚至投入使用后，对飞机产品实施全寿命、过程的模拟、分析，并将分析结果用于指导项目可行性决策，设计，试验，服役后技术支持等工作，极大地减少新型号飞机的研制风险和费用、缩短了研制周期并更可能多地考虑先进技术的应用。波音公司在波音787 项目，空客公司在A380 项目的研制中都成功采用了数字仿真技术，在飞机研发的早期就发现了设计缺陷，并最大限度地改善了飞机的制造、装配工艺性，获得了可观的收效。波音公司和空客公司的专家已经将数字仿真技术评价成公司“文化一个组成部分”。
数字仿真技术在飞机研发、设计与制造的应用目前主要集中于结构设计与分析、系统设计仿真、机构空间运动学仿真、飞机零件制造、部件和整机装配过程仿真等领域。有限单元法和非线性理论及计算方法，以及相关应用软件的发展，高速大容量计算机的出现，使得模拟极限工作状况下所出构失效机理、模式和现象而得以实现。目前数字仿真技术在飞机静力-疲劳，鸟撞，复合材料各级力学行为，发动机附近高温区内结构（如挂架）的瞬态热响应等结构设计关键性问题方面获得成功应用。
基于数字化样机的虚拟飞机装配仿真将飞机装配过程、资源和人机界面结合在一起，使整个产品的设计和制造首先在计算机上进行，发现并解决该产品在制造之前可能出现的各种问题。而虚拟现实技术的应用，使得在飞机研发、过程中就能充分考虑航线服役过程中的后勤保障和支援，使其综合到飞机的研发、设计过程中。
2.3 民机数据管理的新理念：模块化构型管理
民机研制过程生成、更改和演化的各种数据构成了海量的飞机产品数据集合，而客户对飞机（特别是大型民用飞机）的要求也呈多样性变化。在面对数以百万的零、部件的设计数据情况下，如何实现市场对“一架飞机、一种构型”的要求，准确地形成每架飞机的完整定义，并将之传递给产品制造商、零部件供应商和终端客户，是一个非常复杂的问题。
数字化技术的应用不仅给构型管理提出了新的要求，而且也提供了新的技术手段，飞机构型描述也从传统的飞机局部设计偏离、更改说明发展为模块组合与配置定义。在这里，模块化是指根据飞机装配结构关系、功能界面、物理界面，以及可能的客户化要求、工作包划分、航线使用技术支持、成本管理和风险评估等涉及飞机产品全寿命的所有重要因素而将飞机划分成若干子系统，然后在此基础上对产品进行规划、组织和管理。模块化的构型管理方法实现了工程数据的更改（正）管理、数据有效性管理管理和客户化要求管理的分开，解决了传统构型管理模式中构型与图纸更改相混淆的弱点，使构型管理工作能真正聚焦于设计数据的完整、准确和客户化配置，并有效地改善了设计、制造和使用过程中工程数据的管理流程，实现了产品定义数据与产品实物架次方便、严格的对应关系，为制造供应链管理和飞机航线使用管理提供了良好的基线数据。
构型管理模块化在飞机设计、制造中仍然是一个较新的理念。如何解决好飞机相似零、部件（局部更改）的技术管理、以尽可能多地共享制造资源，和生产管理过程数据管理的表单化之间的矛盾，是模块化构型管理的一个技术难点。
2.4 民机研制流程的新理念：并行工程
并行工程的理念和应用，是包括飞机等在内的复杂工业产品的研发、工程设计和制造等过程集合成一个整体、并走向融合的一个里程碑式的标志。并行工程是依据先进数字化技术和软件，对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、集成化处理的系统方法和综合技术，其主要目的在于缩短新产品研制时间，尽快将产品投入市场。
并行工程的基本理念有两点，首先是在研发、设计早期就考虑到涉及产品全寿命期间的所有要素，包括功能、生产工艺特性、装配、可测试性、维护保障、环境影响和产品最后处置和回收，并将相关知识、要求和意见集合到产品设计中；另一点是并行交叉，即在充分细分各种活动的基础、找出各子活动之间的逻辑关系的基础上，将产品设计与工艺过程设计、生产技术准备、采购、生产等种种活动并行交叉进行。图2 并行模式下，飞机研制流程模型示意图。
图 2 研制流程的并行模式示意
并行工程的实现方法在于产品设计数据的共享。在并行工程中为了达到并行的目的，必须建立高度集成的产品主模型，通过主模型的共享来实现不同专业人员的协同工作，并且采用不同的专业软件来对主模型进行分析，典型如将该主模型应用于应力分析、装配工程和人机界面分析等，其结果一方面反馈给产品设计，相应更改产品设计和主模型，另一方面同时开展各专业相应的工作，以缩短产品开发周期和时间。
波音和空客在并行工程的实施中，采用了数字化样机（DMU）作为主工作模型的概念。DMU 贯穿从飞机概念设计到详细设计的全过程，并随同设计过程的进行而不断进化和精细化。实践证明，并行工程理念和手段在B787 和A380 的应用，极大地缩短了研制时间，获得了可观的经济效益。
2.5 民机研制过程的融合：产品全寿命管理(PLM)
在民机工业内，产品全寿命管理（PLM）的理念和手段的应用是随着数字化技术在民机工业上的应用、发展而到达的一个必然阶段。民机的PLM 是依据先进的技术理念，依托基于数字化环境的数据管理平台，利用包括数字仿真在内的各种数字化工具，以产品全寿命周期（从早期的虚拟产品，到最后报废处置的实物）为时间轴对产品实施管理，并在这个统一的数字化环境下，为产品全生命周期的每一个阶段提供数字化工具和强有力的信息协同机制和手段，打破限制产品设计者、制造商使用方之间进行沟通的技术桎梏。将产品研发设计者、产品制造商和客户方统一成一个整体，并在这个统一的环境下进行工作。
PLM 的核心理念为协同，也就是产品全生命周期内各阶段之间的协同和管理，产品开发各个阶段或环节上各相关企业、相关部门和相关人员之间的协同。在这个过程中，飞机研发、设计过程已经由以产品数据位中心的研发流程管理改变为多专业、多部门、多学科、多外协供应商之间的紧密协同，并实现供应链的知识共享和重用。
在民机研发领域，PLM 的主要手段是数字化仿真或虚拟。也就是在真实世界中什么都没有发生之前，就可以利用PLM 平台，对一个产品进行设计、形成原型、测试、制造、管理和在三维环境中的使用进行模拟。这个模拟过程不仅包括产品生产制造的技术性仿真，另一方面是管理过程的仿真。后者是管理者通过PLM 系统仿真业务规则的制定和执行过程，生成相关的数据，制定相关的业务过程，进行仿真，在仿真的过程中发现问题进行改进，以节省成本，提高了管理过程的可控制性。此外，在飞机进入航线后，其实际状态数据将同步（或利用自动采集装置）进入仿真模型中，实现虚拟与实物的对
应，监控飞机的“健康”状况，保证飞机的安全性并获得最佳效益。
波音公司在 787 项目中首先采用了PLM，取得了良好的经济效益。波音公司使用达索公司的PLM V5R16，包括CATIA，DELMIA，ENOVIA，SMARTEAM 等，在真正开始生产飞机之前，就针对波音787 项目的各个方面，如制造流程等，进行了数字化设计、制造和测试。其中，CATIA 用于数字产品的定义和模拟，DELMIA 用于生产流程的定义，ENOVIA 和SMARTEAM 则以一种协同的方式管理产品生命周期中的所有信息，包括产品配置、工艺知识和资源信息等。PLM 的在B787 的最为成功之处在于通过网络使所有项目参与者(包括波音公司的各部门、波音787 项目的合作伙伴、系统原设备供应商及客户等)不论身处何地都像在同一个机构工作一样，并按照统一的标准进行民机设计、制造和产品支持。
3. 结论与展望
信息技术的发展从根本上改变了大型客机在内的民用飞机的研制方式和研制模式。信息化技术的发展为民机研发、设计和制造等过程的融合提供了技术基础，但是要真正实现数字化环境下设计、制造的融合，则民机工业本身必须首先变革传统的理念，适应数字化技术的要求。依据数字化技术，世界民机工业也正在发展成为一个包括产品研发、设计等在内全球性合作工业体系。要在民机工业中有所作为，就必须正确认识到而已发展趋势，并积极参与这一过程，融入到该环境中，这样才能适应航空工业的发展，获得最佳的经济和社会效益。(end)
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(7/26/2012) |
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