飞机数字样机研制规范化解决方案

飞机数字样机研制 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 化解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 Solution of the Standard System for Development of Airplane Digital Mockup 中国航空综合技术研究所 　　郑朔日方 西 北 工 业 大 学　　王俊彪 　　[摘要 ] 　结合飞机设计制造的需要 ,讨论了数字 样机的定义和功能 ,从飞机研制的全生命周期过程提 出了飞机数字样机的三级四类分类 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 及相互关系 ; 提出了飞机数字样机研制过程中规范化解决方案的构 架 ;从构建、应用和管理 3 方面阐述了飞机数字样机研 制中的通用规范要求。 关键词 : 数字样机 　规范化 　解决方案 [ ABSTRACT] 　The definition and function of dig2 ital mockup (DMU) in airplane design and manufactur2 ing is discussed. The DMU is classified as three levels and four types and their relationship is put forward ac2 cording to the lifecycle process of airplane. A standard system framework and the general demand of the con2 st ruction , application and management for building DMU is proposed. Keywords : Digital mockup ( DMU) 　Standard 　 Solution 数字样机是对产品的真实化、集成化的虚拟仿真 , 用于 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 设计、干涉检查、机构仿真、产品拆装、加工制 造和维护检测等模拟环境 ,要求具备集成化造型、可视 化、功能检测、产品结构和配置管理等完整的功能 ,并 为数据管理、信息传递和决策过程三大领域提供方案。 它覆盖了产品从概念设计到售后服务的全生命周期 , 是支持产品设计和工作流程控制、信息传递与共享、决 策制定的公共数据平台。 以往 ,航空制造业主要依靠物理样机来分析、协调 研制过程中出现的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,而物理样机已成为缩短产品 研发周期的瓶颈。基于数字样机的数字化设计/ 制造 技术的应用 ,协作者共享模型数据 ,并同时进行数字化 预装配、CAE 分析、工装设计、工艺设计、可制造性分 析等各项工作 ,为并行工程的实施创造了条件 ,从而大 大减少了工程更改和返工 ,节省了大量工装模具和生 产准备时间 ,实现了飞机研发的低成本、高效率。波音 777 是世界上首架 100 %数字化定义的飞机 ,其采用了 数字样机等新技术使开发费用和时间缩减 50 % ,设计 更改、返工率减少 93 %以上 ,比传统制造、装配时出现 的问题减少了 50 %～80 % ;美国第四代战斗机 F - 22 和 J SF 也是由于实现了三维数字化设计制造一体化与 异地设计制造、异地装配才使研制周期缩短 50 %。我 国新研制的飞豹改进型飞机正是由于在全机设计中应 用了数字样机技术才获得了成功。 本文在综合国内航空制造业近年应用数字样机技 术经验的基础上 ,提出了飞机数字样机研制规范化初 步解决方案。 1 　飞机数字样机的界定与分类 飞机数字样机的界定可根据样机的研制进程、功 能及用途来划分。通常按照数字样机研制的进程分为 三级 :即一级样机 (含概念样机、方案样机) 、二级样机、 三级样机 ;基于功能的数字样机一般分为四类 :即结构 样机、系统样机、分区样机、全机样机 ;而为支持培训、 市场营销等特殊目的所构建的数字样机为专用数字样 机。各种样机分类关系如表 1 所示。 2 　飞机数字样机研制规范化解决方案构架 数字样机技术应用的基础是产品结构配置、数字 化建模及数字化预装配过程的规范化 ,相关标准的制 订应着重于产品标识、系列建模要求、数字化预装配通 用要求等 ,而核心标准是数字样机的界定与构建 ,并涉 及数字样机的应用与管理 ,配套标准可考虑制订飞机 数字样机着色要求与数字样机的评审等。图 1 为解决 方案的构架 ,也表明了它们之间的协调关系。 76 现代管理　 航空制造技术 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 1 　飞机数字样机研制规范化解决方案构架 Fig. 1 　The framework of the standard system solution for airplane digital mockup development 3 　数字样机构建要求 3 . 1 　一般要求 数字样机的设计流程应按照一级数字样机、二级 数字样机、三级数字样机自顶向下的顺序分层次构建 , 逐步细化。数字样机的模型特征应反映所指定飞机的 实际特征 ,并包含全机零部件及其设备的完整数字信 息模型 ,可进行工程分析、优化以及技术状态管理 ,同 时数字样机应能按需进行简化处理 ,以满足不同的使 用要求。数字样机构建规范化的一般要求如下。 (1)零部件标识要求。 按零部件编码与数据文件标识的有关规定执行。 (2)坐标系与定位要求。 ·各部件、分部件必须使用全机坐标系定位 ; ·组合件可以使用各种约束 ; ·零件可以在安装时使用各种约束 ; ·通用件可以使用约束定位 ; ·约束使用的优先顺序为 :轴线约束、平面约束、 线约束、曲面约束。 (3)模型简化要求。 数字样机模型的简化应根据不同的阶段和目的分 别处理。 ·对仅用于协调的数字样机 ,其发动机、机载设 备、外挂武器等可仅示出外形 ,但应给出重量、重心等 数据 ,接口部位尺寸、外形应准确以保证协调关系 ; ·对用于工程分析的数字样机 ,其发动机、机载设 备、外挂武器等不仅要示出外形 ,而且要给出满足重 量、重心等属性要求的等效模型。 (4)图层管理要求。 在建模过程中 ,各种模型可根据系统功能和应用 要求使用不同的图层管理。 (5)通用零部件/ 标准件库创建与使用要求。 按参数化设计要求 ,构建产品需求的通用零部件/ 标准件库 ,库内零件的创建、使用以及在各类样机中的 示意方法应符合 HB 有关规定。 (6)模型装配要求。 ·数字样机应按照结构样机、系统样机、分区样 机、全机样机分层次制作装配模型 ; ·应保证模型所用零、组、部件均为最新版本 ; ·应能完成各层次数字样机以及所有组件、部件 的虚拟拆装。 (7)样机着色要求。 ·数字样机不能使用背景颜色渲染 ; ·应综合考虑功能、系统、层次等各方面的需要来 确定样机着色方案 ; ·零部件名称和颜色的对应关系应有专门文档详 细说明。 (8)模型状态要求。 ·设计完成的模型应调整为轴测图并渲染 ; ·运动机构应处于正常巡航状态 ; ·舱门应处于关闭状态 ; ·起落架机构应处于收起状态 ; ·所有的开关应处于初始状态。 (9)模型格式要求。 数字样机构建中 ,应根据不同平台、不同阶段、不 同单位、不同用途等情况 ,考虑数字模型的转换和合 并 ,提出模型的交互格式要求。 (10)成熟度要求。 ·零件成熟度对于不同的数据类型都应有可变的 状态来描述 ; ·零件成熟度更改应可激活相应的任务流程 ; ·零件成熟度可根据不同的情况提升或降低 ; ·整机和装配件的成熟度应以其零件、组件的最 低值为准。 3 . 2 　详细要求 构建的详细要求可根据样机分类及特殊性提出。 (1)一级样机要求。 一级样机对应于飞机的总体方案设计阶段 ,其定 义过程及结果至少应包括下列要求。 ·确定初步的总体设计参数和总体布局 ,初步确 认结构和系统界面定义 ; ·确定初步的气动设计参数和气动布局 ,完成气 动外形初步设计 ; ·建立零部件的基本形状和包容空间 ,进行结构 打样设计 ; ·进行初步的参数优化和发动机选型 ,并对成品、 设备、武器装备等提出要求 ; 86 现代管理　 2003 年第 9 期 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net ·完成总体布置设计 (包括发动机布置 ,进气道、 油箱布置等)和方案数字样机制作 ; ·一级样机中结构件的设计成熟度应达到 50 % , 与主机有协调关系的成品件的成熟度应至少达到 30 %。 (2)二级样机要求。 二级样机对应于飞机的详细初步设计阶段 ,二级 样机的状态相当于以往物理样机的最终状态 ,其定义 过程及结果至少应包括下列要求。 ·进行气动力初步分析、RCS 分析、飞机质量特性 估算、性能计算分析、操稳分析、载荷计算等 ,并进行总 体可靠性、维修性、生存力分析等 ; ·进行结构、系统总体设计 ,在强度分析的基础上 进行结构详细设计 ,并进一步完成座舱总体设计、天线 布置设计等 ,构建初步的数字样机 ; ·完成产品模型空间分配 ,装配区域、装配层次的 划分 ; ·对总体设计参数和气动外形等进行进一步的修 改完善 ; ·二级样机中结构件的设计成熟度应达到 75 % , 成品件的成熟度应达到 60 % ; ·二级样机完成后应能进行预发放。 (3)三级样机要求。 三级样机对应于飞机的详细设计冻结 ,标志着己 完成样机模型的最终设计 ,至少应包括但不限于以下 内容。 ·完成飞机的三维实体的最终设计 ; ·对详细设计零件进行完整的数字化预装配并进 行全机干涉检查 ; ·进行飞机重量特性计算 ,座舱虚拟仿真 ,维修 性、综合保障分析 ; ·进一步进行性能计算、操稳分析、载荷计算、气 弹和颤振分析、飞控仿真、强度有限元分析等 ,完善结 构和系统设计 ; ·三级样机中结构件的设计成熟度应达到 100 % , 成品件的成熟度应达到 90 % ; ·三级样机完成后应能进行工程发放。 (4)结构样机要求。 结构样机应分段制作 ,规范化要求为 : ·结构样机应按全机坐标系装配 ,并能正确反映 结构间的装配关系 ; ·应能反映更改及新研部件的结构型式、关键性 间隙尺寸及构件相对关系 ; ·应能反映构形变化状态以及零部件所处的工作 状态 (如确定、正在协调、未知等) ; ·应提供模型的组成、状态、使用的说明。 (5)系统样机要求。 系统样机按各专业分别制作 ,规范化要求为 : ·各系统样机均应按全机坐标系装配 ; ·应能反映系统组成、走向和位置 ; ·应能反映与相关结构之间的协调关系 ; ·应能利用运动机构模拟、干涉检查等功能检测 系统自身的装拆和使用维护性 ; ·应明确构形变化状态以及处于的工作状态 (如 确定、正在协调、未知等) ; ·应提供模型的组成、状态、使用等说明。 (6)分区样机要求。 ·分区样机应按全机坐标系装配 ; ·应能反映该区的结构、系统组成及分布 ; ·应能反映结构、系统在数字样机上的位置 ; ·应能反映该区内结构间、系统间以及结构与系 统之间协调关系 ,完成干涉检查 ; ·维护口盖、舱门分别做打开和关闭两种状态 ; ·应使该区内结构部件、系统设备、附件等具有良 好的可达性、可拆装性及合理的维修空间 ; ·应能评价该区中机组人员操作使用的合理性 ; ·进行运动机构全行程检查 ; ·提供该分区模型的组成、关系、状态、使用等说 明。 (7)全机样机要求。 对结构、系统或各分区的数字样机进行总装配 ,形 成全机样机 ,规范化要求如下。 ·应能完整地反映结构、各系统全机分布及在数 字样机上的位置。 ·应能反映系统和分区之间结构、系统的协调性 和维修性。 ·对改进改型飞机的样机可按下述的情况分别处 理 :对已有数字样机的飞机改型时 ,应构建全机数字样 机 ;对仅作局部更改 ,但原无全机数字样机的飞机 ,新 设计部分应构建满足接口要求的分区数字样机 ,未更 改部分可应用不同颜色仅示出光顺的外形 ,内形可忽 略 ,但应无视差。 (8)管路、线束系统敷设要求。 管路系统应按管径尺寸敷设和按区域敷设结合 , 采取先重后轻、先短后长、先难后易的敷管原则 ,主要 满足以下要求 : ·管路敷设应尽量平直、紧凑 ,成束敷设 ,以减轻 重量 ,减少流体损失 ; ·管路敷设应尽量做到由内层向外层敷设 ,尽量 先敷设管路密集的区域 ; 96 现代管理　 航空制造技术 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net ·一般先敷设粗管后敷设细管 ,且细管应沿粗管 敷设 ,并用卡箍固定在粗管上 ,要保证相邻路径的间距 与标准卡箍的中心距一致 ; ·对同直径的管路且两管路在同一层相碰时 ,则 短管优先于长管 ; ·要保证管路之间、管路与相邻附件之间最小间 隙不小于有关要求 ; ·敷管时要防止大管径管路成交叉敷设 ; ·管路的敷设应避让检查窗口、加油口等 ; ·为便于管路固定和外形美观 ,管路应尽可能按 所属系统敷设。 线束敷设应寻找最佳的网络路径 ,并能检查每个 结点的连接性 ,将路径与支持约束联系起来 ,并保证线 束的敷设符合技术要求。 (9)专用样机要求。 专用样机的构建应满足其特殊要求和目的。 4 　数字样机工程分析 数字样机工程分析至少应完成以下方面的工作。 (1)空间结构分析。进行干涉检查、剖面分析、测 量空间位置 ,使设计者能够直观地了解到样机中存在 的问题。 (2)运动分析。用以验证机构在空间运动过程中 物理位置的准确性 ,分析机构运动过程中的间隙、干涉 性以及机构的可靠性 ,并能对运动期间几何元素或者 点的加速度、速度等进行数值分析。 (3)装配模拟分析。模拟分析各层次数字样机及 主、辅机的装配过程和拆卸操作 ,动态地检测零件及其 夹具在装配和拆卸过程中的干涉和间隙情况 ,进而分 析产品的几何形状以及安装过程中的空间要求 ,验证 产品的可装配性。 (4)人机工程。设计和定义人体的各种姿态 ,对处 在数字样机环境中的人的行为进行分析和控制 ,直观 地展示人机工程环境和维护维修环境。 (5)数字样机的优化。借助分析结果对数字样机 的目标进行系统优化 ,根据优化对象不同 ,可以分为空 间结构优化、运动机构优化、装配模拟优化以及数字样 机的综合优化。优化的结果以文本的方式或是在零件 模型上直接标注说明的方式存储于系统数据库中 ,并 按照规范通知设计部门 ,进行产品的设计更改和确认。 (6)重量分析。应根据需要完成重量、重心、转动 惯量、密度、体积、面积等的分析。 (7)维修性模拟。对数字样机的维护、检测性进行 模拟。 (8)工艺性评估。数字样机构建过程中 ,应对其工 艺性进行评估 ,完成样机与型架的协调、DFM/ DFA、 容差分析等工作。 5 　数字样机管理要求 5 . 1 　数据管理要求 数字样机中有关数据的管理应强调的是 : ·样机数据应在 PDM 系统中进行管理 ; ·应建立灾难性数据管理机制 ,定时对数据进行 备份。 ·技术状态发生变更 ,应保持使用数据一致性。 5 . 2 　状态管理要求 批准发放的模型由研制方的设计部门保存 ,供进 一步设计之用 ,直到设计定型时为止 ,数字样机的最终 技术状态的冻结必须经过使用部门审批同意。模型一 经批准发放 ,一般不允许作改动 ,如需更改必须经型号 技术状态控制委员会批准。 (1)成熟度管理。数字样机构建的进展状况可按 模型成熟度划分为不同阶段 ,表 2 为数字样机按不同 成熟度实行管理的阶段划分原则。 表 2 　数字样机成熟度表 成熟度/ % 所 达 到 的 指 标 要 求 10 飞机性能指标论证 ,概念设计开始 25 总体方案设计完成 ,达到方案阶段评审要求 50 　一级数字样机设计完成 ,模型吹风试验评审 ,生产准备等 75 　二级数字样机设计完成 ,进入预发放阶段 ,审批流程开始 100 　三级数字样机设计完成 ,评审通过 ,冻结状态 ,批准发放 　　(2)更改与协调。主要原则为 : ·所有更改需向上级部门提出更改申请 ,得到批 准后方可进行更改 ; ·重大更改应由技术状态控制委员会组织有关专 家仔细论证后才能发放更改通知 ; ·应保证所有相关的部门都及时获得最新的更改 信息 ,确保数据的协调一致性。 5 . 3 　协同工作要求 (1)构建环境要求。应支持飞机的全寿命周期管 理 ,基本环境要求为 : ·产品数据管理系统 ; ·数字化建模使能工具 ; ·数字化仿真系统 ; ·信息集成与协同设计平台。 (2)构建组织要求。主要原则为 : ·按照协同并行设计的要求 ,建立数字样机研制 07 现代管理　 2003 年第 9 期 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net IPT 的组织体系 ,明确各级 IPT 工作职责 ; ·工作分解按照全机样机、分区样机、结构样机、 系统样机逐级向下划分 ,由对应的 IPT 负责 ; ·全机样机由总体 IPT 负责 ,分区样机由项目 IPT 负责 ,结构样机由结构 IPT 负责 ,系统样机由各系 统 IPT 负责 ; ·各专业 (结构、系统) 的 IPT 对本专业的数字样 机负责 ,并对本专业在分区 (或全机)数字样机负责 ,低 一级 IPT 应协助使本专业 (或分区)样机在高一级样机 中再现和恢复 ; ·高一级 IPT 负责对低一级样机制作的监控。标 准化则应对各级样机进行全程规范化监控。 5 . 4 　验收与评审 数字样机验收与评审中测试项目重点为干涉检 查、机构仿真、虚拟拆装、人机工效、维护检测的可达性 等 ,规范化的内容应包括但不限于下列各项 : ·明确评审依据、评审类型 ; ·确定各类样机评审内容、要求 ; ·拟定验收评审计划、测试项目 ; ·评审机构的确认 ; ·评审前资料的准备 ; ·评审会议程序、评审后的工作。 6 　结束语 数字样机技术的应用实例已表明 ,用数字样机代 替物理样机是缩短产品研制周期、提高产品质量的有 效、可靠途径。它不仅可减少物理样机的数量 ,在十分 成熟的水平下甚至可以取代物理样机。然而 ,技术应 用成熟与否关键在于研制过程的规范化 ,规范、标准既 是产业和技术发展的前提 ,又是技术进步、技术水平的 体现。上述解决方案现已形成标准草案 ,正发布试用 , 它标志着我国航空制造业数字化设计与制造水平又上 了一个新的台阶。 参 考 文 献 1 　范玉青 1 现代飞机制造技术 1 北京 :北京航空航天大 学出版社 ,2001 2 　李伯虎 1 复杂产品虚拟样机技术的研究与实践 1 测控 技术 ,2001 ,20 (11) :1～6 3 　熊光楞 ,李伯虎 1 虚拟样机技术 1 系统仿真学报 ,2001 , 13 (1) :114～117 4 　李瑞涛 1 虚拟样机技术的概念及应用 1 机电一体化 , 2000 (5) ,17～19 5 　王喜力 1 航空产业信息标准化发展思路的探讨 1 航空 标准化与质量 ,2002 (4) :3～6 ; (5) 4～7 (责编 　根 　山) 17 现代管理　 航空制造技术 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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