基于VPM环境的武器系统结构设计过程探讨

郝桂珍，李玉亮

(洪都航空工业集团，江西南昌330024)

基于VPM环境的武器系统结构设计过程探讨

郝桂珍，李玉亮

(洪都航空工业集团，江西南昌330024)

现代化导弹结构设计方式对产品研制过程中的海量数据管理要求极为严格，必须实施科学有效的产品数据管理模式。本文介绍了VPM项目实施概况，探讨了基于VPM环境下的武器系统结构设计过程。同时，给出了一个在VPM环境下，用CATIA创建某型武器系统头舱，对其进行全产品周期设计、发布的过程。

结构设计；VPM；PDM

武器系统的设计研制过程是一项技术难度高、涉及专业领域广的系统工程。结构设计又处在这个系统工程中的基础地位，其与各专业间的数据引用、协调等问题，一直贯穿于导弹设计的全过程，并影响着产品研制的进度。传统的结构设计是设计、校核、再修改这样一个不断反复的串行工作管理模式。为了提高设计效率和设计质量，降低研制成本，亟须对结构设计流程进行优化。随着数字化技术的快速发展，虚拟化、协同化设计、并行设计等先进理念和手段的不断应用，为导弹产品研制流程的优化、研制水平的提高提供了充分的技术保障[1-2]。

现今武器系统设计中三维设计软件CATIA的广泛应用，迫切需要将武器装备整个产品周期所产生的庞大的数据进行有效的管理，否则这些数据极易形成一个个信息孤岛。产品数据管理 (Product Data Management,PDM)则提供了—种结构化方法，有效地、有规则地存取、集成、管理、控制产品数据和数据交换。PDM系统是通过计算机将产品设计、工艺设计、生产制造和质量检验以及用户反馈等方面信息集成在一起，对产品整个生命周期内的数据进行统一有效的管理与控制，准确地描述产品工作过程全部信息，其作为沟通企业中各种信息的桥梁，已成为协同设计的关键技术之一[3-4]。

VPM是达索公司开发的一种PDM软件，其最大的特点是能对产品研制中产生的各类数据进行有效的管理。VPM建立在计算机高速网络和数据库技术之上，按照并行工程的组织原则将整个工程定义为一个大项目，下面分解成若干个项目组。项目组内成员分工明确、对项目组内数据和相关接口数据拥有适当的权限。通过网络，VPM使相关人员交流沟通非常方便迅速，网上审签、批阅将便捷实现。上至总师，下至设计员，每个人的效率都可以得到很大的提高。运用先进的建模、管理软件，可以提高结构设计的质量，进而提高整个导弹设计的效率与质量。因此，对基于先进VPM平台的结构设计流程、方法进行探讨，具有重要的意义[5]。图1所示为基于V5 VPM下的设计工作一般流程。

图1 基于VPM下的设计工作一般流程

1 VPM项目实施方案概述

1.1 项目概述及目标

建立VPM综合设计系统平台，主要解决导弹产品研制过程中的并行、协调和数据管理问题。VPM支持关联设计，协同设计，并行设计，使得上下游设计信息沟通更加及时、准确。通过VPM设计平台的建立，可及时有效组织可用资源投入到产品研制中，将为导弹研制周期的缩短、研制质量的提高创造必要的条件。

1.2 主要技术路线

1.2.1 人员与组织权限管理

ENOVIA V5 VPM按企业的组织结构，在系统中建立相应的组织。用户在VPM系统中可以属于一个组织，也可以为不同的组织工作。角色可以是用户在组织中的职务或专业职称，也可以根据用户在项目中的作用定义用户的角色。在VPM系统中一个用户可以参加多个项目，在不同的项目里可以是不同的角色。产品开发过程的数据管理方式主要以设计师为对象进行授权管理，项目数据对设计师是开放的。根据数据安全管理方式，以及设计协同过程中的数据共享的要求，权限按角色做出相应设计。

1.2.2 建立企业标准件库、成件库、材料库

ENOVIA提供通过库（Catalog）管理标准件库的方式，覆盖标准件库管理各方面功能。设计员以自己的角色登陆VPM，当需要在上下文中增加结构标准件和成件时在平台上找到所需后便可将其加入到设计上下文中。材料库在VPM中的对象为DOCMENT,对其属性进行扩展，增加设计人员需要的管理属性，利用CATIA中材质库功能建立材质库，这便于设计人员计算零件的各种固有属性，也便于进行重量等和材料有关的属性的管理。1.2.3实施基于几何参考（骨架模型）的关联设计

关联设计是一种建模技术，它允许设计员将其设计关联到定义产品上下文的通用几何参考上，并提供一种虚拟的设计集成环境，在定义产品的零件间共享参考，使得设计变更在整个产品件便捷地传达。定义规范的几何参考（骨架模型）、元素发布的规则、使用的方法是关联设计的主要内容。关联设计的重点是上层骨架如何驱动下游零部件快速接收更改通知并能够进行下游的自动更新，同时保证不受影响的零件不需更新。

ENOVIA VPM设计平台，主要解决型号研制过程中各系统、各专业的并行、协调和数据管理问题，是设计手段变革的支持平台和应用平台，其使得上下游设计信息沟通更加及时、准确。

1.2.4 产品成熟度管理

成熟度是对产品数字模型完成情况和详细程度的描述，并且将达到一定技术状态的数字模型，提前发放给下游用户，以便于下一步流程工作顺利的开展。对成熟度的管理和对研制流程的划分和制定的正确与否，是关系到一体化研制流程能否畅通无阻的关键。

方案依据本企业的组织、设计和生产的实际能力对产品成熟度进行合理的分级，制定出适合企业实际的成熟度管理和控制规范，并建立起符合一体化研制流程要求的现代企业组织和制度，最终实现导弹数字化设计制造一体化研制流程体系。

1.2.5 3DLive的应用支持

针对非设计人员，如管理层、工艺制造部门，需要在轻量化的三维环境中进行设计协调、剖切测量、进度控制检查、三维审核会议等工作，这是需要在3DLive环境中连接VPM设计实时数据，这部分内容需要进行3DLive环境的定制，与VPM的连接，设计协调业务场景的制定及应用培训等工作。为此，协同平台提供了基于3D的工程协同功能，整合各方资源，实现对问题、故障的高效沟通和快速解决。

该平台可以让项目管理者和其他非CATIA设计人员通过浏览轻量化的产品数据和三维动态展示文件，可以用于：1）三维项目跟踪;2）三维产品展示; 3）三维工艺检查。 项目主管、工艺制造工程师、制造商和客户不必拥有和掌握CATIA软件，就可以轻松访问各种CATIA创建的复杂结构设计数据，方便地完成大量的结构设计数据的浏览、快速查询、研究、比对和检查，获得自己需要的数据，并可以实时通过在线沟通工具将自己的意见注释到三维模型上，供结构设计工程师参考，及时高效的进行设计同步。

1.2.6 逐步形成CATIA设计方法学

以三维为主（3D Master）的设计方法学已经越来越多地被航空、汽车设计中心采用，他最大的好处就是，保持三维信息的传递，使从设计到制造保证全数字量信息传递，最大限度地保证设计与制造的一致性。在ENOVIA VPM平台的管理下，可以将参与产品研发的上下游企业的数据资源进行整合，从而进行跨企业的协同设计。

2）运动机构模拟功能

对超大型数字样机也可进行机构定义和运动模拟。通过鼠标操作和弹出式窗口面板等辅助，用户可直观地管理机构的运动。动态显示的图形有助于用户监控作为驱动命令的运动副的运动情况，极大地方便了设计审核。

3）数字化样机装配模拟功能

允许用户在装配设计过程中和产品维护维修过程中模拟零部件的安装和拆卸操作，以进行预校验，通过装配件结构树的常规显示或炸开显示选项，设计师可以在弹出式图形菜单的引导下，通过实时地拖动鼠标快速地模拟大型数字化装配样机中的零部件运动。

4）数字化样机漫游器功能

可用于引导审查人员采用步行或飞行的方式穿越整个3D数字化样机，进行产品设计的彻底检查，高级的图形性能加上与设计环境的全面集成，使该产品成为一个无与伦比的数字化样机漫游和审查系统。DMU漫游器产品可以与DMU运动机构模拟分析产品和DMU装配模拟产品结合使用，可进一步提高系统的审查能力。

党的十八届三中全会以及连续多年的中央农村工作会议和中央1号文件都对农村、农业现代化提出了明确要求，中共天津市委、天津市人民政府也于2013年出台了 《关于贯彻落实〈中共中央、国务院关于全面深化农村改革加快推进农业现代化的若干意见〉的实施意见》，将农业现代化建设摆上了日程，对加快农村水利改革发展、推进天津市农村水利现代化提出了具体要求。中央及天津市委、政府的部署，天津市经济的发展，以及农村经济和社会发展的需求，都决定了研究提出天津市农村水利现代化发展战略的必要性和紧迫性。

5）空间分析功能

可在协同工作环境下，不管数字样机的设计尺寸大小如何，可进行距离计算，高速干涉检查以及实时剖切检查。系统可对整个样机进行干涉、间隙以及贴合信息的计算。本方案实施将在ENOVIA系统中构建新机型的结构样机数据，反映零、部件的结构形式、几何尺寸、关键性间隙尺寸、构件相对位置关系、交点位置等信息，以及各零、组、部件处于的工作状态。

2 VPM环境下武器系统结构设计流程

用户进行工程设计时，可以创建和重用保存在一个模型中的设计信息，这个模型称为骨架模型。自顶向下的含义就是骨架中的设计信息只能从骨架模型中传递给其它的零部件，零部件的设计信息不能传递到骨架模型中。

设计过程中，所有重要的信息都保存在骨架模型中，在骨架中一些重要的空间约束已经定义（如：舱段对接面、舱段对接要素等），可以通过这些空间约束在装配模型中布置相应的子模型。

通过骨架模型管理更高层次的设计变更，并将这些变更自顶向下的整个装配模型中进行传递，一旦骨架中的设计内容发生变更，所有与之关联的子系统都会发生相应的变更。这样就能够保证设计人员对设计变更的控制。

为说明在VPM环境下结构设计流程，现给出某武器系统头舱设计过程：

1）在VPM环境下，结构专业某型号主任设计师获取上游发布的全弹“骨架模型”数据（如：基准点、基准线、基准轴线、基准面、弹身理论外形等所有在设计过程中需要用到的基准要素）。主任师根据该数据创建结构专业总体骨架模型，图2结构树中的XXXX-0100-0_skel代表结构专业总体骨架模型。

图2 头舱骨架模型图

2）主任师创建各单元骨架模型并通过“发布”机制将数据发放给经授权的设计员，图2所示的点、线、理论外形线等元素就是头舱的骨架模型，在结构树上显示为XXXX-0200-0_skel，由此实现了协同设计理念。

模型中所有重要的设计信息都保存在骨架文档中，并通过关联复制/粘贴（copy/paste）传递到各个设计人员进行相关设计。这样在协同设计中，各个设计人员的角色没有发生变化，但是，对于主要的设计信息却进行了更好的控制。

3）下游设计人员根据各自单元的骨架模型进行相关设计并将数据存储在单一的数据库中。图3所示模型为头舱设计员根据骨架模型提供的参数设计的头舱的舱体零件，在结构树上显示为XXXX-0200-1。具体说来下游设计员将上游发布后的参考要素进行链接使用。整个设计过程中只有骨架的建立者对其具有修改的权限，下游设计员对其只具有使用权限。在全弹进行详细设计时遵循自顶向下设计理念，关联数据在设计过程中的传递是通过骨架进行传递，如：导弹总骨架中某已发布元素发生更改时，下游设计员子系统总骨架结构树上骨架模型零件出现 “更新”标记，相应的链接元素同时出现“更新”标记，在此时，只需将零件在数据库中进行更新即可完成零件的更改。如在设计中缺少参考要素，子单元分骨架中下游设计人员可继续向顶层人员申请，通过发布向下游继续传递，各分骨架相互独立，发布元素的增加并不影响其他下游设计人员的设计。

4）通过VPM工作流程通知有关人员调用模型校对、预审。按相应成熟度定义通知相关专业对数模可用性进行评估、预签。当成熟度满足条件时，将数据发放至工艺、生产部门，以利于其先期开展工作进而体现了并行工程之理念。

5）将所有意见、反馈情况进行核实，验证，合理的反映更改到数模上，准备发放数模。

6）在使用数模的过程中，如还有必要进行设计更改(无论是后续各专业提出的协调更改，还是设计员本人为完善设计等其他情况而做更改)，必须提升数模的版本，通过网上审签，重新发布新版，同时冻结旧版本。在数模的完善过程中，不断提升数模的版本和成熟度，直到达到100%的成熟度，该数模被冻结，不能再进行更改。此时，产品定型。

图3 头舱舱体模型图

3 结语

先进的数字化设计制造技术引领着航空工业的快速发展，PDM的深入应用符合信息化的潮流。本文通过基于VPM软件系统集成平台进行导弹结构设计的实践，达到了对导弹设计流程的有效管理与控制，实现了设计流程优化再造。同时也证明了在此平台上进行结构设计的高效性、易用性。

为使VPM系统在导弹产品研制中发挥更大的作用，还需进一步探讨如何将综合设计、工艺、制造的三大方面并行工程理念在数据管理系统中得以较好地实现，并结合现实中航空产品的管理特性，科学地制订出各种管理规范以及相应的操作规程。

[1]赵雯，陈海东.基于虚拟样机的导弹数字化协同设计技术[J],导弹与航天运载技术,2005,4:23-28.

[2]Yehuda E.Kalay.The impact of information technology on design methods,products and practices [J].Design Studies.2006(27)：357～380

[3]张凯，王丹爽.应用PDM系统实施航空产品设计数据管理 [A],中国航空学会2007学术年会, 2007.

[4]杨平，廖宁波，丁建宁，杨继昌.数字化设计制造技术概论[M].北京：国防工业出版社，2005.10

[5]王斌.基于VPM环境的飞机外形并行设计方法探讨[A],第五届(2002年)中国航空学会总体分会几何设计专业学术交流会,2002.

>>>作者简介

郝桂珍，女，1980年1月出生，2003年毕业于沈阳工业学院，工程师，现从事导弹结构设计工作。

Discussion on the Structural Designing Process for the Weapon System Based on VPM Environment

Hao Guizhen，Li Yuliang
(Hongdu Aviation Industry Group,Jiangxi Nanchang 330024)

The massive data management is strictly required during the development of product by the modern missile structural designing mode,it is,a must to implement the scientific and effective product data management mode. This paper introduces the implementation conditions of VPM program in author's organization,discusses the structural designing process for the weapon system based on VPM environment and finally gives a process for the fullcycle design and distribution by creating a cabin for a certain of weapon system with CATIA under the VPM conditions.

:structural design;VPM;PDM

2012-01-09）