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航天产品数字样机概念研究

2017/7/21    来源:互联网    作者:韩喜  赵英杰  杨贺  史阿云      
关键字:数字样机  系统工程  功能样机  性能样机  构造样机  
由于航天工业领域对数字样机的定义和认识不统一,造成的数字样机技术应用推广进展缓慢、不同单位对数字样机的管理方法和水平参差不齐、基于数字样机的跨单位协同研制工作开展困难等问题。以航天运载器产品为对象,结合产品研制现状及系统工程模式,从产品研制进程和数字样机应用目的两个维度,提出一种航天产品数字样机的定义和分类方案。以运载器产品研制进程为主线,将数字样机定义为一级、二级、三级和四级样机,按照应用目的的区别,将研制数字样机分为功能、性能和构造样机,一方面规范航天产品数字样机技术状态管理,另外可提高数字样机产品的研制水平。

    3 航天产品数字样机定义

    国内各行业对于数字样机的理解和定义受产品属性约束,具有较大差异。航空行业标准(HB7757—2005飞机数字样机通用要求》中给出的数字样机定义为:“产品整机或系统等数字化描述。面向产品从概念设计到售后服务的全生命周期,可分别用于工程设计、工程分析,如:干涉检查、运动分析、拆装模拟、加工制造和维护检测等过程。”国家标准《GB/T26100—2010机械产品数字样机通用要求》中给出如下机械产品数字样机定义:“对机械产品整机或具有独立功能的子系统的数字化描述,这种描述不仅反映了产品的几何属性,还至少在某一领域反映了产品的功能和性能特性。产品的数字样机形成与产品设计阶段,可应用于产品全生命周期,这包括:工程设计、制造、装配、检验、销售、使用、售后、回收等环节;数字样机在功能上可以实现产品干涉检查、运动分析、性能模拟、加工制造模拟、培训宣传和维修规划等方面。”

    国标给出的数字样机定义主要面向结构设计专业,对本文研究有一定指导意义,但对于航天产品这类集结构、电气、软件等多专业于一体的复杂系统而言,是远远不够的;航空产品具有与航天产品相同的多学科融合性和复杂性,且同样采用系统工程的研制方法,具有较高的可借鉴性。

    本文认为,航天产品数字样机的认识应以结构类产品为基础,兼顾电子类产品、软件类产品研制新需求。以目前模式下产品和工作特点为依据,并本着指导航天产品数字化研制新模式探索的原则,本文给出航天产品数字样机定义如下:

    航天产品数字样机是指应用数字化方法和工具,对航天产品整机、分系统或单机产品加以数字化描述并建模而形成的数字化模型的集合。数字样机应反映产品的构造、功能和性能等全属性特性,其具体表现形式包括具有直观可视性的二维或三维产品仿真模型,也包括抽象的数学模型,其应用面向从概念设计到售后服务的产品全生命周期,包括产品可行性分析、方案设计、工程研制和验证、售后综合保障性设计、售后培训等过程。

    航天产品数字样机应具备三大技术特点:①真实性:反映与实际产品一致的产品构造、功能和性能属性;② 面向航天产品论证/工程研制/售后等全生命周期;③ 多学科交叉性:构建过程充分考虑航天产品涉及的结构、电子、控制、流体和液压等多学科构成要素。

    航天产品数字样机是为了优化产品研制模式而提出的数字化手段,其设计过程可从以下三方面理解:① 设计输人:数字样机的构建的初始化条件,包括设计约束、设计指标要求等,如用户提出的产品使用需求、上游设计下发的设计指标要求、产品功能设计要求等;② 承载的研制任务:即数字样机的具体应用,如产品功能设计、性能仿真分析及优化、工艺设计及分析、虚拟模装等,对于不同产品,或同一产品的不同阶段而言,同一数字样机可能承载完全不同的研制任务;③设计输出:基于数字样机的研制工作所得到的最终成果,包括产品功能参数、性能参数、构造参数等,数字样机的设计输出应与设计输入对应,确保输出参数满足提出的设计指标要求。

    4 航天产品数字样机分类

    按照航天产品数字样机构建的目的、构成要素的差异,分为功能样机、性能样机和构造样机,其各自的含义如下:

    1)功能样机:在产品研制的某一阶段,针对产品一个或多个功能特性的设计与验证,将必要的产品本身的构成要素加以数字化描述,并以二维图、三维模型或数学模型等多种方式加以具象表达的数字样机。功能样机是产品设计的起点,其设计输人一般为产品研制任务书。通过功能样机的构建,最终在数字化条件下,实现产品“从无到有”的设计与验证。

    2)性能样机:在产品的功能设计完成之后,针对其一个或多个性能特性,以产品研制任务书中提出的性能指标要求为依据,应用先进的计算机仿真建模技术,对产品相关构成要素和虚拟验证环境加以数字化建模而形成的数字样机,用于在数字化条件下,验证产品主要性能指标是否满足预期要求,为产品的优化和完善提供参考信息。性能样机应包含两部分内容:产品功能模型和虚拟验证环境模型,即在功能样机构建完成的前提下,通过虚拟建模技术,构建面向某一或某些性能特性分析的虚拟验证环境(如电磁环境、力学环境、热环境、虚拟工艺环境等),对产品的设计指标进行进一步的分析和优化。

    3)构造样机:面向物理样机生产的产品数字化定义,构造样机的构建即产品(Digital Product Definition,DPD)过程。完整的构造样机应包含反映真实产品结构的全构造要素,包括零部件的几何参数、精度参数、材料参数、管理参数、工艺参数等;整机或组件的装配参数、部件相对位置关系、装配精度、装配方法等。构造样机的构建必须在基于功能样机和性能样机进行的设计验证均以完成,需要进行物理样机的生产之前,也就是说,如果某一研制阶段无需涉及物理样机的生产,则该阶段可不进行构造样机的构建和应用。

    按照航天产品的研制阶段分类,以运载器为例,其各研制阶段包括可行性与方案设计阶段、初样阶段、试样阶段定型阶段,将其数字样机分为一级样机、二级样机、三级样机和四级样机,其中“级”的本质是产品成熟度的概念。在各阶段样机(各级样机)中,又包括功能样机、性能样机和构造样机,结合图2对该分类方案加以阐述。

    如图2所示:横坐标对应运载器产品研制各阶段,即方案、初样、试样和定型阶段;纵坐标对应特定阶段中样机构建的先后顺序和内容,自底向上分别对应功能样机、性能样机、构造样机和物理样机。

    2

    图2 运载器数宇样机分类示意图

    对于功能样机和性能样机,定义一级、二级、三级和四级样机分别对应于方案、初样、试样和定型阶段,其分级本质上是产品设计成熟度的不断完善,设计指标的不断优化,系统成熟度的不断提升;对于构造样机,其分级定义面向物理样机的生产,并产生于某一特定研制阶段中,也就是说,如果在某一研制阶段中不存在物理样机的生产,则该阶段内不进行构造样机的构建。

    功能、性能和构造样机的构建和应用为串联关系:功能样机应用于产品的设计和功能验证,解决产品“从无到有”的问题;性能样机在产品功能设计完成的基础上对其性能特性进行验证,确保其满足性能指标研制要求;构造样机用于将设计参数转化为可用于指导实物生产的制造信息。对于不同研制阶段的数字样机而言,其构造样机的构建目的、构成要素和构建过程是一样的,只是对应生产的物理样机有所差异;而功能样机和性能样机在构成要素上存在较大差异,因为各阶段研制任务和内容有较大差异。

    如图2中所示,当某一阶段生产的物理样机设计指标满足要求后,即可进行设计转阶段,进行下一阶段产品的设计。需要指出的是,物理样机生产的目的是通过基于该样机的地面试验、飞行试验进一步验证产品设计的成熟度,随着计算机仿真分析能力的不断提高,许多基于物理样机的验证试验已经逐步被功能、性能样机所取代,也就是说,如果数字化分析验证的可靠性满足研制需求,完全有能力取消某些研制阶段中物理样机的生产。反映在图2中,即如“点划线”所示:若基于性能样机的分析验证结果与物理样机相同,则可以取消该阶段构造样机的构建(也就是取消了该阶段物理样机的生产),直接将其作为转阶段的依据。

    本文认为,航天产品各阶段划分虽略有差异,但对于本文提出的分类方案均适用,只需以此为依据,依据具体的产品特点(阶段划分、各阶段工作内容和指标要求等)进行适当改进即可。

    5 定义及分类方案应用

    航天产品数字样机在建模和管理过程中,首先依据产品研制阶段、数字样机构建目的、功能参数输入、性能指标要求等对其进行定义和分类,如用于试样阶段飞行试验的运载器产品制造的数字样机为三级构造样机。以该阶段工作要求、该样机的技术指标要求为依据,确定模型的构建要求、步骤和验收指标等。

    在此基础上,开展数字样机的建模、分析验证、数据管理等工作,该过程中,以样机的技术指标要求为依据,开展技术状态标识、审核、更改和纪实等管理工作。

    由于在数字样机的构建之前,便以定义和分类的方式对其应用目的、工作内容和验收指标进行了“量化”,使得后续工作“有法可依、有章可循”。此外,各单位遵循同样的定义和分类方案,使得跨单位的模型可传递性和可用性大大提高,有助于提高协同研制效率。

    6 总结

    航天产品数字样机技术的应用要早于研究,因此,各航天院所虽然普遍采用了数字化技术开展产品设计制造工作,但对于数字样机的理解,尤其在基于数字样机的协同方面,存在较大的差异,这也严重制约了数字样机技术的深入应用和推广。本文以运载器产品为对象,结合航天产品基于系统工程的研制模式和特点,提出一种运载器产品数字样机的定义和分类方案,该方案中,按照运载器研制的四个阶段,将其分为一级、二级、三级和四级样机;按照数字样机应用目的分为功能、性能和构造样机。简要介绍了本方案在航天产品数字化研制中的应用场景。本文研究充分考虑了不同种类航天产品开发的共性,具有较高的适用性和可行性。

责任编辑:张纯子
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