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基于MBD的构型管理在飞机研制中研究与应用

2017/7/17    来源:互联网    作者:田宪伟      
关键字:MBD构型管理  数据管理  
结合MBD技术的应用,探讨了面向零部件模型的构型管理的实现路径,从构型管理的组织机构、构型标识、构型项划分、构型更改控制等方面开展研究,提出了构型项划分的基本原则,建立了体现构型变化的标识方法,并根据企业的具体情况构建构型更改流程。通过在构型项上设置架次有效性,进行版本的自动传播,有效地解决了构型管理实施过程中的几个关键难题,推进构型管理在型号研制中的应用。

    构型管理是美国军方为了解决新型战机采办中的混乱状况,在满足性能指标的前提下,为降低全寿命费用,缩短研制周期,提高系统的可靠性、维护性,对承包商提出的强制要求,并逐步发展为一种比较科学、完善和严格的管理体系。但随着市场竞争的日益激烈,为了在最短的时间,以最低的成本满足客户多样化的需求,民用飞机制造公司纷纷自觉将构型管理贯穿于飞机的全生命周期管理中,并取得显著效果。波音公司因成功地实施了飞机构型定义与控制和制造资源管理(DCAC/M RM),将飞机研制周期缩短50%、问题减少50%、成本降低25%,再次重回商用飞机霸主的地位。鉴于构型管理的成功示范,国内以北航为首的高校与几家主要的飞机研制单位,如上飞院、一飞院、中航工业直升机所等在这个领域做了积极、深入的研究,先后在新舟60、C919、ARJ21等商用机型及军机上陆续实施构型管理,并取得了丰硕的成果。

    随着数字化定义技术的发展,基于模型的定义(Model Based Definition,MBD)的第三代产品定义技术成为各大飞机公司主流的产品定义方法,MBD涵盖了设计制造一体化、面向制造的设计、面向装配和维护的设计等研发思路,在改变产品的设计方式的同时,促进了构型管理的应用,同时为构型管理的实施带来了改变。面向图纸和文件的构型管理如何向面向零部件模型的构型管理转变,基于各种图纸版本的有效性标识如何向基于构型项的有效性标识转变,各种版本的数据如何进行电子审批、存储、发放和传递,如何建立基于MBD模型的单一产品数据源,建立一个面向产品PLM协同研制的基于MBD模型的构型管理体系,确保飞机研制数据的一致性、有效性、完整性和可追溯性,这是MBD模式下构型管理实施过程中必须深入研究的课题。

    1 构型管理概念及组织机构

    1.1 构型管理概念

    飞机构型管理就是在产品寿命周期内,为确立和维护产品的功能特性、物理特性与产品需求、技术文件规定保持一致的管理活动。它以产品结构为组织方式,集成和协调与产品构造过程相关的一切活动和产品数据,将各阶段产品数据关联起来并对其进行管理和控制,进而保证产品数据一致性、有效性和可追溯性的数据管理技术

    1.2 构型管理组织机构

    构型管理的根本目的是用技术和行政的手段建立起规范化的新产品研发秩序,保证设计目标的如期实现。随着技术的发展,构型管理已发展为技术与管理并重的综合学科,其专业技术涉及面广、交叉性强,不但涉及数字化产品定义方式、产品全生命周期管理,而且涉及企业的业务流程及产品开发并行工程工作方法,其贯彻和实施不但需要专业技术人才及高水平的数字化管理水平,而且需要从企业组织结构入手,建立专业化的构型管理部门,行使构型管理职责,编制适宜的构型管理计划,建立构型管理顶层规范及工作方针,对具有相应技术能力的人员赋予相匹配的责任,结合企业的数字化构型管理平台进行角色和权限分配。这是稳步推进构型标识、构型控制、构型记实和构型审核等构型管理功能在飞机研制中的应用的组织保障。

    构型管理组织结构如图1所示。项目控制委员会(PCB)是最高的决策机构,负责评估潜在的商业利益和对客户的影响,并衡量所作出决策可能的风险。构型控制委员会(CCB)由PCB批准建立,CCB主席通常由型号总设计师担任,CCB的成员由各专业的专家组成,包括设计、制造、项目管理、质量、适航、成本管理、风险管理、综合保障、采购、试验试飞等部门代表及供应商代表,负责向CCB主席提供建议,保证构型的正确性、合理性。构型管理办公室是核心办事机构,不但要将各方提出的重大构型信息上报CCB,而且要监控供应商构型变更过程的控制,并负责所有构型信息的管理。在综合设计团队内部层层设置更改委员会(CB),清晰定义更改送交高一层委员会裁决的准则,CB根据职责和权限处理更改事务。PCB、CCB只需通过控制重大构型变更即可控制型号的研制风险,保证设计目标的基本实现。

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    图1 构型管理组织结构

    2 面向零部件模型的构型管理

    飞机产品零部件数量巨大、更改频繁。通常飞机的研制采用二维图纸为主、三维模型为辅的管理方式,有效性管理方法比较复杂、低效,通常把图纸作为有效性管理的依据,在各层图纸上标明哪些零部件对应哪一架次飞机有效,存在多个版本的图纸及三维模型,容易出现三维模型和二维图纸不一致的情况,更改控制非常困难。为简化有效性从顶层到最底层的各层图纸的传递,首先要取消二维图纸,实现面向图纸的构型管理向面向零部件模型的构型管理转变,采用MBD技术进行产品定义,零件模型作为一个集合信息的表达体,不但包含零件的几何尺寸、公差等几何信息,而且包含材料、加工、装配、热处理等综合信息,零件发生更改,可以直接将更改原因、内容、有效性等信息直接在零件模型中进行定义与表达,如图2所示。研制过程中,设计、制造、维护、供应商等以MBD模型为唯一数据源,消除3D和2D图纸间存在不一致的潜在风险,“两张皮”现象得以解决,零件更改控制得以简化,只需要控制三维模型即可。制造端接收的更改指令完全可以从模型中提取,实现数字量的传递,避免更改指令和更改图纸的分离现象。MBD模式下取消了二维图纸,对于每个零部件只需一个唯一与之确定的零件号进行标识,所有数据都将围绕着零部件模型展开。

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    图2 面向零件模型的构型管理

    3 构型项目的划分与编码

    3.1 构型项的划分

    构型项(Configuration Item,CI)是构型管理过程的基本单元,是飞机产品数据和信息组织的核心,是产品生命周期管理系统(PLM)实施的依据,也是项目所有信息输出的基础和源头。在产品结构分解之初就必须考虑如何划分构型项,将复杂的飞机结构分解到便于管理的粒度,经分解后构型项大小适中,大型飞机一般可以控制在200个零件左右。通过合理的产品结构分解,将产品复杂而深层次的零组件装配关系演变为构型项间的配置关系,将传统深层的产品结构关系划分为3个层次,包括顶层、构型层和底层,如图3所示,从而使产品结构实现扁平化,既便于工作分配与数据管理,又提高自身开发效率,解决了产品模块化、系列化和通用化设计问题,同时便于客户选型和客户化定制。

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    图3 飞机构型项(CI)划分示意图

责任编辑:张纯子
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