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飞机构型管理技术篇:工程数据管理

2020/5/11    来源:e-works    作者:李建军      
关键字:飞机构型管理  工程数据管理  
PLM中的工程数据管理为飞机设计过程的数据和在线协同设计,提供了有效的保障手段,作为构型管理的数据基础。

    【英文条目】Engineering Data Management

    【中文条目】飞机研发过程的需求可追溯,建立一个以技术数据为中心的工程数据管理系统,实现机、电、软的协同设计,是飞机构型的重要的数据管理基础。

    总体先行是飞机研制的基本原则。飞机型号系统总体设计贯穿研制工作的全过程,是型号研制成败的关键,总体设计基于技术指标以及使用要求为主要内容的研制任务书基础上,通过系统分析研究,完成总体方案设计、系统分解、接口定义、系统集成、系统仿真、系统试验和系统鉴定。总体设计与管理具有明显的系统工程方法的管理特点,要求综合多方面的专业知识、在工程的各个研制阶段中,进行反复迭代式的系统分解与综合分析,以求得总体性能最佳的决策。

    需求管理是飞机设计和管理的根本目的,是飞机设计单位和飞行试验相关人员之间沟通的主要途径。需求管理的根本目的就是要把需求工程化,让需求去指导产品的工程开发。

    从图1我们可以看出,飞机系统是经过多层迭代进行设计完成的。在飞机系统的研制过程中,需求管理是飞机工程的管理主线,无论进行什么样的活动,包括设计、仿真、验证等等,其最终目的都是为了设计制造出满足客户需求的产品。

嵌入式软件管理框架

图1 需求管理的管理主线作用

    为了将复杂产品的需求管理过程变得简单,并且可以追溯,将采用分层次的方法对系统进行分解,将飞机需求分为客户需求层、飞机产品需求层、飞机系统需求层、飞机零件需求层来进行管理,而每层的需求管理过程是相似的,需求管理就是要在产品的每一层完成需求捕获、需求分析、需求确认、需求分配、需求验证这样一个循环过程。

    在采用信息化管理系统的情况下,可以针对飞机的研制模式建立需求模型,并用树状结构的建立来完成对需求模型的管理。树状模型是建立在分层的基础上,根据飞机产品研制的特点,需求模型可以分为四层:

    第一层:客户需求模型

    第二层:飞机产品需求模型

    第三层:系统需求模型

    第四层:设备零件需求模型

需求管理层次划分

图2 需求管理层次划分

    由于我们把需求的条目用模型化的方式进行管理,因此在不同的阶段对需求的属性进行完善,从而进行成熟度定义,就可以有效地对需求的内容和属性的完整程度进行管理。这样可以把相对模糊的需求定义用一种定量化的属性指标的完成来进行管理。

    随着系统建模标准的发展,对基于模型的系统工程开始产生重大影响。对象管理集团的系统建模语言:SysML,作为一种通用的、用于特定设计、分析和验证复杂系统的图形化建模语言,已被广泛实施在MBSE支持工具。模型与数据交换已推进MBSE实践在不同建模领域实现了一体化,包括飞机系统建模领域。

复杂产品的MBSE数据管理模型

图3 复杂产品的MBSE数据管理模型

    通常情况下,飞机技术设计与产品分解结构建立对应关系,下图是典型的飞机分解结构示意。

产品分解结构

图4 产品分解结构

    随着三维数字化设计技术在制造业的广泛应用,基于MBD的数字化设计与制造已经成为信息化的发展趋势。MBD是产品数字化定义的先进方法,其核心内容是产品的几何模型、所有相关的制造描述信息、属性信息、管理信息等附着在产品的三维模型中,一般情况下不再有工程二维图。MBD改变了传统的由三维实体模型来描述几何信息,而用二维工程图纸来定义尺寸、公差和工艺信息的产品数字化定义方法。同时,MBD使三维数模作为生产制造过程中的唯一依据,改变了传统以工程图纸为主,以三维实体模型为辅的制造方法。

    目前MBD已经相对成熟。美国制造工程师协会与2003年发布了“数字化产品定义数据实践ASME Y14.42-2003”,为采用MBD方法的产品研制提供了参考依据。业界主要的CAD系统,包括SIEMENS NX对ASME Y14.41标准都有全面支持。

    国内航空行业(包括军机和商用飞机)也逐步开始应用MBD进行产品的三维信息表达,强化并行设计与协同的理念,并将MBD模型作为制造的唯一依据。但是,仅仅是MBD还无法完全实现提高首次设计质量,减少制造交付时间、工程变更、产品缺陷等目标。而需要基于MBD在整个企业和供应链范围内建立集成和协同环境,建立MBE(Model Based Enterprise,基于模型的企业)方法,在产品整个生命周期的各个环节中充分利用已有的MBD单一数据源开展工作,以便有效地缩短研制周期、改善生产现场环境、提高产品质量和生产效率。

    Siemens PLM解决方案以具有PMI(Product Manufacturing Information,产品制造信息)三维标注的模型作为单一数据源,贯穿型号产品研发的各个环节和阶段。目前,该技术已经成为了国外航空行业的普遍共识。基于Teamcenter、PMI和JT驱动的无图纸研制流程,已证实可以实现系统设计、技术设计、工艺、制造、检测、试验、维护等高度集成,消除3D模型与2D图纸之间的信息冲突,减少了创建、存储和追踪数据量,确保了产品设计意图和信息的正确、快递传递。

    飞机设计过程涉及机械、电子、电气、软件等多种学科,Siemens PLM解决方案包括了对各个学科的协同化数据管理,具体包括:

    (1)电气/机械设计协同

    通过Teamcenter与NX,以及电气设计软件的集成,可以实现电气设计、机械设计的有机闭环,并能确保设计流程和数据的统一管理。电气与机械设计团队能够协同进行电气设计,用Teamcenter集成电气设计工具,来创建、管理和配置开发过程的所有逻辑、物理和BOM数据,定义建含有机械和电气部件的完整准确的数字样机。

电气/机械协同设计流程

图5 电气/机械协同设计流程

    (2)电子/机械设计协同

    对飞机制造商来说,在机电一体化产品中集成机械、电子和电气组件至关重要。这些制造商所面临的挑战是将其开发过程转变为支持跨不同部门协同的并行设计和系统工程方法。电气设计师、机械设计师和控制系统设计师之间的实时信息共享对于在预算范围内按时交付高质量创新产品来说非常重要。

    Teamcenter提供对业界领先ECAD系统的集成,从Mentor、Cadence、Intercept到Altium,并且提供一个集成网关,使您能够集成内部开发的工具或者从第三方购买的工具。可使用户Teamcenter中,捕捉原理图、PCB、物料清单(BOM)、制造和装配数据,从而促进产品上市、降低开发成本。

机械电子设计协同过程

图6 机械电子设计协同过程

    (3)软件/硬件设计协同

    通过使用PLM的软件设计生命周期(ALM)解决方案,软件开发人员在管理机械和电子设计信息的同一个产品知识来源中,管理软件需求和功能架构,管理软件源代码和目标代码。

代码管理框架

图7 代码管理框架

    Teamcenter和ClearCase的集成接口支持从Teamcenter访问ClearCase的数据,支持对ClearCase的view和VOB的查询、支持访问和更新ClearCase的文件和目录、打开ClearCase的view并浏览其内容,以及ClearCase的代码通过集成接口发布到Teamcenter后,其可以提交进入流程等。

    嵌入式软件管理(ESM)模块把软件部件作为产品定义和配置过程中的一个“零件”来跟踪和管理,可以创建并管理一个产品的各个电子控制单元(ECU)、ECU与ECU、ECU与软件以及软件与软件组件之间的依赖关系,管理任何ECU通信结构的信号和消息,同时可把服务问题追溯到产品的ECU、二进制软件和源代码,促进了跨产品生命周期各阶段的变更管理、问题报告和发布追踪。

嵌入式软件管理框架

图8 嵌入式软件管理框架

    航空产品结构复杂,零部件数量巨大,这对工程数据的管理提出了严格的要求。PLM中的工程数据管理为飞机设计过程的数据和在线协同设计,提供了有效的保障手段,作为构型管理的数据基础。

责任编辑:程玥
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