飞机构型管理与重量控制技术研究

张西涛

(海装西安局，陕西西安 710000)

0 引言

飞机研制各阶段构型的正确性是产品信息正确反映的前提。市场环境、客户需求，设计模式、材料和工艺的改进以及生产条件的不断变化，使飞机构型在研制过程中处于不断变化的动态过程，加之飞机产品零组件数量巨大，更改频繁，飞机的构型控制变得极其繁琐、复杂，而每一次构型的变化都直接影响着产品重量的变化，产品重量的变化又直接影响飞机的经济性、飞机性能和飞行品质［1］，［2］。因此，有效的构型管理是保证飞机产品正确设计的必要手段，更是保证飞机产品重量准确性的重要依据。本文在研究构型管理、重量控制的基础上，为满足飞机产品重量数据的完整性和一致性要求，针对飞机全生命周期实施构型管理和重量控制的综合技术进行研究和探讨。

1 飞机构型管理与重量控制

飞机构型管理是面向产品全生命周期的，以产品结构(BOM)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。从飞机的整个生命周期来说，构型管理过程有面向客户的构型配置，面向工程的EBOM，面向制造阶段的MBOM以及面向维护的SBOM，都是飞机构型管理的重要组成部分。构型管理保证产品生命周期各阶段零件、文档和更改数据的一致性和可控性，提供产品构型的可视化定义和控制的产品数据管理技术［3］。该技术对所有体现产品性能、功能和物理特性的全部类型数据，通过产品结构关联进行有效管理和控制。

产品在研发制造过程中存在许多不确定的因素，即使在产品的定义确定之后，状态也会不断地产生很多变化，任何一个产品都不可避免地因实际需要而发生各种更改。更改是导致飞机构型发生变化的重要因素，在构型生成过程中为控制构型项并将各个环节的更改数据体现到最终的产品构型数据当中，必须进行可控的更改建议、评定、协调、审批和实施等一系列活动，构型更改控制是进行构型管理的重点和难点。构型控制程序见图1。

图1 构型控制程序

飞机产品构型控制要求进行全程监控，即对飞机产品的全部数据，包括产品结构信息、几何信息、重量及重量分布信息、工艺信息、分析结果、技术说明和检测结果进行管理与控制。其中，产品的重量及重量分布信息是保证产品研制的重要原始数据，它不仅直接影响飞机的飞行性能和飞行品质，而且同飞机产品的各零部件构型变化紧密相关［4］。产品的重量特性(重量、重心、转动惯量)管理与控制工作在构型控制中属于Ⅰ类构型更改，是构型的重要控制内容之一。

飞机重量(特性)控制工作贯穿于飞机设计和研制的全过程，是实现飞机重量目标的保障手段［5］。重量管理与控制主要包含两个方面:一方面就是在设计环节，由于设计技术方案变更及使用标准选取不同会引起设计重量存在差异，需要对影响重量不断变化的设计信息进行有效管理;另一方面，在研制、使用环节，由于研制技术水平差异和产品构型选择不同会导致实际重量存在偏差，需要对导致重量不利趋势的研制、使用方案进行有效控制。通过有效的重量控制，从顶层上把握并建立飞机整体重量库，管理繁多的全机有效重量信息，控制，检查和调整指标要求与实际设计的重量偏差，满足多层次的重量管理信息需求，确保在各个阶段能够获得重量数据的唯一性、可控性、有效性和可追溯性。重量(特性)控制程序见图2。

2 重量控制工作现状

目前，由于普遍缺少构型管理与重量控制集成技术手段，重量管理与控制工作基本靠手工完成，效率低下;本来是环环相扣的几个环节却相互割裂，阻碍了重量数据的传递;同时，重量数据也缺乏统一的规划和管理。所有这些都极大地影响了重量管理与控制的质量和效率。典型的如:设计/制造重量数据的汇总、统计等工作完全依靠专业设计人员/生产检验人员手工填写，完成重量数据库(EXCEL表)/称重记录表(质表)内容，重量管理人员依据汇总数据统计，分析全机重量重心，再根据不利趋势和超差情况制定减重或调整措施;重量专业以重量简报的形式向上级总师系统汇报某一阶段的增/减重情况，由于数据量大，数据的收集整理都采用最原始的手动录入方式，后续还要经过数据格式整理，数据真实性分析，耗时费力。

理论数据和称重数据的汇总、统计、分析和使用困难，不仅牵扯了重量管理人员、设计和检验人员大量的时间和精力，更不能及时反映当前节点状态下飞机重量的实际情况。计算与称重数据难以在设计、工艺、制造、管理等部门之间共享;相关的数据也没有关联在一起，数据的利用率低下，许多有价值的数据没有挖掘出来。更为严重的是，重量数据缺乏与之相配的安全管理机制，造成重量数据在采集、存储、备份、应用等诸多环节上都存在严重的安全隐患，无法满足重量数据与真实产品之间的一致性、完整性。重量特性偏离发现得越晚，调整手段就会因为研制方案趋于定型而越发有限，甚至还会导致设计返工、周期拖延和成本增加等一系列问题，对飞机的研制工作产生不可估量的负面影响。

图2 飞机重量控制程序

3 构型管理与重量控制的综合技术

随着数字化应用技术的发展，产品数据管理(PDM)技术成为整个产品生命周期的支撑平台，在此平台上可以实现对所有体现产品性能、功能和物理特性的全部类型数据，包括CATIA设计数模、系统设计数据、工艺/工装/检验数据等的管理和产品结构关联，从而可以进行构型管理。而在构型管理单元的产品数据基础上，结合构型控制政策和程序，建立构型管理与重量数据管理系统接口，通过数字化手段完成各部分工作数据的相互协同与相互关联，提高产品数据的利用率，从而逐步实现飞机型号研制过程中的重量数据从方案设计到制造称重的归口管理，降低研制过程中重量数据管理、传递的错误率，保证重量数据的正确性和完整性［6］。

针对飞机重量控制工作的特点，利用数字化网络作为重量管理与控制系统的网络环境，通过与构型管理系统的综合应用技术，完成重量实时监控的主要工作。该综合技术主要应用体现:

1)设计重量并行分析

通过与构型管理系统中的产品数据管理紧密集成和功能开发，在产品设计时自动进行BOM的重构，实现了EBOM向重量BOM的转换，将零组件三维数模以及成品等的重量特性数据自动提取到重量数据管理系统中，并随三维模型变化相应更改。获得零组部件重量特性后，就可以汇总计算任意组件、部件或飞机的重量、重心、转动惯量。架构于PDM系统简化了设计重量特性的提取过程，可快捷获取全机的最新、特定构型的重量特性设计信息，重量变化项目的更改结果数据和设计更改之间的关联关系，实现对飞机的重量设计数据和设计更改信息的实时获取，为快速分析重量重心，剖析重量更改原因，及时制定减重措施，提供有效、可靠的理论数据。利用PDM平台管理飞机重量特性的流程如图3所示。

图3 设计阶段监控流程

产品EBOM等相关重量特性信息见图4。关键技术:

①产品结构树自动导入技术;

②重量相关属性映射技术。

通过系统开发，将产品中的BOM和重量属性紧密集成，能够方便灵活地从构型管理系统中读取研制过程中迭代频繁的可配置产品结构树及重量相关信息(包括图号、名称，设计重量、重心、自身转动惯量)，形成最终供重量系统调用的BOM。

2)制造重量实时获取

通过构型管理更改控制流程规范定义，建立超差/偏离、BOM产品结构和实际重量的关联关系，实现称重项目归口管理。获得零组部件重量特性后，就可以汇总计算任意组件、部件或飞机的重量、重心、转动惯量;通过系统提交所发现的重量超差问题，由设计人员负责问题的处理和回复。利用PDM平台管理飞机重量特性的流程如图5所示。

图4 产品EBOM等相关重量特性信息

图5 制造阶段监控流程

架构于构型管理控制系统规范了制造重量特性的控制过程，使用户能够方便地基于产品结构追溯到某一架次飞机中的某特定零组件在加工装配过程中发生了什么样的超差/偏离等信息。为快速分析重量超差原因和及时制定减重措施提供有效、可靠的实际数据。有效管理多架次的最新、特定构型的称重数据。实现对飞机的重量制造数据的实时控制，及时准确地预测各种实际增重现象，为对增重较严重零组部件、加工方式采取措施减轻重量提供依据。

3)统一的信息化管理

通过产品数据的统一管理，产品结构树的自动建立，内部数据传递和权限设置，提高重量管理工作的研制信息集成以及重量数据的一致性和安全性，实现重量变化记录和减重信息的共享利用。这些管理特点使在飞机设计、制造过程中，因用户需求、设计要求或工艺保障等各种因素的影响而导致的已经正式批准的飞机构型的改变，进而影响到的产品重量发生的相应更改，尤其是对重量大的项目更改，均在受控的状态下进行。信息化管理部署方式见图6。

图6 信息化管理部署方式

通过构型与重量的综合管理与控制，可以实现构型管理对全机零部件按整体处理并提出对零部件研制的协调要求。零部件重量控制根据提出的协调要求，建立自己的重量BOM，并且提出相应方法来检查BOM的数据的一致性。变更的自动传递、实施中能够接入到产品构型平台中获取研制相关的技术要求和产品定义等信息，并反馈项目状态、重量问题，跟踪重量问题处理状况，提交数据归档管理等。重量数据文件及相关技术资料用网络数据库方式统一管理起来，提高资源安全性和利用率。

4 结论

构型管理和重量控制工作的重点是协调和记录各个阶段和过程的数据，把产品的相关数据与产品结构建立起合理联系，确保对飞机产品数据的控制。

构型管理与重量控制工作贯穿飞机产品研制的全生命周期。构型管理政策及程序是重量控制工作的指导方针，重量控制工作是构型管理工作的有效实施和监控。架构于构型管理的重量控制技术，具备实时跟踪、记录、计算和分析重量特性的功能，将原先的结果式管理逐渐过渡到过程化管理。因此从理论上讲，可以随时获知飞机在任意时刻的重量特性，为总师系统/重量控制机构/相关专业做出控制决策提供最及时的信息，使得实时监控重量特性成为可能，

极大地提高重量管理与控制的工作效率。

［1］范丽华，伍剑刚，刘永红.飞机构型管理研究与应用［J］.洪都科技，2008，(1).

［2］杨 玺，范玉青.飞机构型控制技术初探［J］.北京航空航天大学学报，2000，26(3).

［3］于 勇，卢 鹄，范玉青，等.飞机构型控制技术研究与应用［J］.航空制造技术，2009，(23).

［4］王 哲.飞机结构设计过程中重量控制［J］.飞机设计，2001，(1).

［5］杨苏敏.浅谈民用飞机的重量控制管理［J］.科技创新导报，2012，(2).

［6］匡爱民.民用飞机重量控制方法研究［J］.民用飞机设计与研究，2012，(z1).