直升机质量特性数据设计与管理系统开发

宋长红，黄 利，吕春雷

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

直升机质量特性数据设计与管理系统开发

宋长红，黄 利，吕春雷

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

以产品结构为核心，通过重量重心自动抽取模块以及重量重心、转动惯量计算模块的开发，建立了一套快速、有效的直升机质量特性数据设计与管理系统(WDM系统)。通过该系统的建立，直升机重量专业人员可以更容易、更方便、更有效和更安全地管理并使用直升机质量特性数据，不但极大地提高工程技术人员的工作效率，也最大限度地揭示了直升机质量特性的价值，完成直升机质量特性的对比分析工作并且形成经验积累。在型号研制中的初步应用表明，该系统可显著提高工作效率。

WDM;重量重心;质量特性;效率

0 引言

直升机各系统的零、组、部件质量特性数据是新研直升机重量设计、重心定位和转动惯量计算的基础［1］。由于直升机系统很多，相应的零、组、部件数目的质量特性数据是海量的，而且，直升机研制作为一个系统工程，涉及到的研制单位也非常多，这也造成了质量特性数据收集的困难。

为实现在型号研制各阶段快速获得各系统的零、组、部件质量特性数据，本文以产品结构为核心，通过重量重心自动抽取模块以及重量重心、转动惯量计算模块的开发，建立了一套快速、有效的直升机质量特性数据设计与管理系统(以下简称WDM系统)。在同一数据管理体系的支撑下，建立了统一的数据管理模式、传递标准和管理体系，加快了数据处理速度，提高了数据利用率，保证了数据的正确性和完整性，从而实现了直升机质量特性数据的数字化、信息化、工程化管理。

1 WDM系统开发总体思路与设计原则

WDM系统开发的总体思路与设计原则包括:

1)统筹规划，分步实施

应在严格遵循有关法律、法规、国家标准和行业标准的基础上，进行统一的规划，逐步进行系统的实施。保证系统不但能满足当前业务的需要，也可为系统的扩展提供统一的信息标准。

2)实用性与先进性的结合

从网络和系统的整体性出发，选择先进且成熟的技术、设计和开发思想进行系统的整体和框架设计，满足当前的需要，并适应未来的技术发展。系统操作简便、快捷，实用性强。

3)系统的灵活性、可扩展性和开放性

系统的建设应充分考虑到将来业务发展的需要，系统的数据库、业务功能、数据编码等都应易于扩充。

系统的设计和开发具有一定的开放性，便于系统的维护、管理和集成。

4)系统的可靠性与安全性

应将系统高可靠性、安全性等放在重要位置，建立一套安全管理机制，确保网络和系统的稳定性和可靠性、高效性、安全性。

5)系统的兼容性和延续性

必须具备标准的接口，可以和现存系统之间方便地进行数据交换，保证数据的一致性。系统具备严格的技术和业务规则、合理的业务流程、先进全面的管理手段。

系统的设计具有较好的延续性，便于将来与数据处理系统的集成。

6)系统的规范性

系统设计和开发每一步都要遵循软件工程和信息系统建设的有关标准，文档、编码和最终产品都以标准方式完成并交付给用户。

2 WDM系统开发

WDM系统总体设计分为两大功能模块，分别是重量重心自动抽取模块和重量重心、转动惯量计算模块。重量重心自动抽取模块的应用环境是VPM/CATIA集成设计环境，首先在CATIA设计环境中，利用实体的自动计算功能，获得零件的质量属性，包括重量、重心、转动惯量等，把这些质量属性映射到VPM中，即数据准备阶段;然后利用VPM的输出报表功能，对其进行客户化，输出包括产品结构信息的重量、重心等质量特性数据报表，装配关系通过装配图号和图号描述，导出特定型号或部件节点的质量特性数据，形成Excel文件作为重量重心、转动惯量计算模块的数据源。重量重心、转动惯量计算模块通过数据导入功能导入该数据，完成基于产品结构树的数据同步。

重量重心、转动惯量计算模块利用导入的空机质量特性数据，完成质量特性对比分析、数据演变分析、材料加工方式统计、材料种类统计、零件分类统计、重心合理性检查以及空机质量特性计算等功能。进一步结合设计人员准备的型号特征数据、有效载荷数据、油箱耗油数据及耗油规律数据，完成装载状态配置、装载飞机质量特性管理以及配载设置、装载状态质量特性计算、耗油曲线生成、土豆包线生成、最优配载方案生成等质量特性管理的具体功能。

WDM系统总体流程图见图1，总体功能划分如图2。

2．1 重量重心自动抽取模块

本模块是用于实现产品数字化定义中特性的过程控制，跟踪直升机研制过程中质量特性的状态，从而使最终产品的质量特性能够符合初始的设计需求，减少设计反复，保证直升机的功能和性能指标。

本模块可以分为两个重要工作内容(如图3所示):一部分是VPM质量特性数据准备，另一部分是质量特性属性统计报表的输出。

本模块与三维建模软件CATIA V5紧密集成，能够将零部件三维数模中属性数据提取到产品数据管理系统中(称为属性映射)，并随三维模型变化相应更改。因此，可以用ENOVIA LCA系统配合CATIA V5一起来完成飞机质量特性动态跟踪的任务。实现CATIA与LCA设计环境无缝集成，无需对每个实体模型进行打开和更新操作，主要零件、装配件设计员对模型进行更改，保存后，系统可以实时动态跟踪每个零、组、部件的设计更改，并自动逐级计算装配件总的质量特性，提高重量工程设计员的工作效率。

本模块的业务描述如图4所示。

本模块主要包含以下功能:

1)设计零件质量特性数据准备:其数据源头是CATIA三维模型中存储的重量、重心和转动惯量等信息。由于同一个零件可能存在多个使用位置，对于不同的装配环境，它的质量特性数据是不同的，但是零件在自身坐标系下的质量特性数值，是不会根据零件的装配位置的改变而改变的，因此可以通过获取零件在自身坐标系下的质量特性数值，根据最后的装配位置，经过坐标转换得到在全机坐标系下的值。

2)其他质量特性数据准备:以成品件为例，成品件的质量特性数据管理方式跟设计零件是一致的，但是由于成品件生产厂家建模时使用的CAD工具各有不同，提供的模型存在各种格式，需要通过模型转换到CATPart才能给VPM系统使用，此过程将会导致模型失真;且基于技术、商业、知识产权的保护等原因，更多的厂家提供给下游客户的三维模型仅仅是供装配使用的外形数模，与模块需要的实际模型相差甚远。基于这些原因，这部分零件在自身坐标系下的重量、重心与转动惯量的值，需由厂家提供，由负责该成品进入VPM系统的操作人员执行数据的录入。

3)质量特性数据属性映射:利用现有的CATIA模型计算功能，得出模型的质量特性数据，并通过开发程序实现质量特性数据从CATIA中提取并填入VPM中，即为属性映射。如前所述，同一个零件可能存在多个使用位置，对于不同的装配环境，其质量特性数据是不同的;而零件在自身坐标系下的质量特性数值是不会根据零件的装配位置的改变而改变的，所以本系统提取的是零件自身坐标系下的质量特性数值，并将该部分数值填写到VPM中零件PV对象上，再通过CATIA_VPM同步属性映射机制，将数据填写到VPM系统中。数据提取工作通过CATIA二次开发来实现，在设计员保存数据到VPM中时，将会自动调用CATIA二次开发的数据提取功能，将数据自动填写到CATIA模型属性页面中。这样，这部分数值就不会因为零件的装配位置变化而发生变化，当我们需要全机坐标系下的质量特性数值时，通过获取零件的位置矩阵，经计算可以得出。

4)报表输出:根据需要在LCA结构树中选择待导出的节点，通过右键菜单打开数据导出界面，可实现质量特性数据的导出。

2．2 重量重心、转动惯量计算模块

重量重心、转动惯量计算模块利用从LCA中抽取的空机质量特性数据信息，首先完成空机质量特性计算功能，完成材料种类、加工方法和安装区域的统计分析以及质量特性的对比分析等功能，结合自定义的有效载荷质量特性信息、装载飞机质量特性信息、邮箱燃油以及耗油规律信息，进一步完成装载方案的自由配置、有效载荷质量特性计算、装载直升机质量特性计算、耗油规律曲线和土豆线的绘制、耗油规律质量特性的计算与管理和油箱燃油质量特性的计算管理等功能。

本模块的业务描述如图5所示。

本模块主要包含以下功能:

1)型号特征数据管理

在统一的、集成化环境中管理所有直升机型号的与质量特性数据有关的主要特征数据。包括重心计算参考坐标系的定义、计算直升机相对重心的平均气动力弦的定义、旋翼中心坐标和半径的定义、直升机典型状态重量以及对型号描述的大量文本信息数据。描述一种直升机型号的质量特性数据是海量的，但是有些数据唯一的，不重复的，在直升机的质量特性管理寿命周期中不会重复出现，也不会经常变化。这些数据属于质量特性管理过程中的顶层数据，需要在其他功能实现过程中不断引用。将这些数据定义为型号特征数据。型号特征数据处于直升机质量特性树状数据结构的最顶层。型号特征数据专指与直升机质量特性计算与管理直接或间接相关的直升机总体几何和重量方面的数据。

2)使用空机质量特性数据管理

空机质量特性管理模块是整个系统的主体部分，本模块按照产品的装配结构树管理所有直升机型号零、组、部件的质量特性(当前重量、状态重量、重心、转动惯量和质量分布数据)、材料特性、加工特性、安装区域特性数据等，具体实现的功能如下:

零组部件当前重量管理，实现不同结构质量特性对比分析功能;

产品装配结构树定义与零组件质量特性数据编辑一次性完成;

由基本零件质量特性数据按照产品装配结构树逐级依次计算各组合件、部件，直至使用空机的质量特性数据;

使用空机的材料种类、加工方法、安装区域统计饼状图显示;

同名称组合件、部件重量对比计算显示;

选定组合件占设计起飞重量百分数计算显示;

选定组合件纵向相对重心计算显示;

Excel格式数据导入、导出功能;

零组件数据记录可以添加丰富的备注说明;

对零组件重心数据进行可视化检查和设置，提供重心数据的直观检查评估方案;

组合件组成项目的质量特性数据复制、粘贴，应用于产品装配树的快速构建;

在组件、或部件、或型号、或整个数据库系统内部对质量特性条目进行组合式模糊查询;

对零组件重心数据进行可视化检查和设置，提供一种重心数据的直观检查与评估方案。

3)有效载荷质量特性数据管理

一种有效载荷由多种不同的基本载荷组成，因此，将有效载荷数据划分为有效载荷名称数据表和有效载荷组成项目数据表。两种数据表形成一对多关系。有效载荷质量特性数据表实现以下功能:

根据有效载荷组成项目自动计算各种有效载荷的质量特性;

有效载荷质量特性按型号分类管理，各型号之间数据共享;

有效载荷可以被任意装载直升机引用，定义装载直升机状态;

有效载荷的组成项目可以在任意有效载荷之间被复制、粘贴;

使用空机中组合件的组成项目可以被复制、粘贴到有效载荷;

更改有效载荷名称时装载直升机中的有效载荷引用名称协调同步更改;

更改有效载荷质量特性时引用该有效载荷的装载直升机质量特性协调同步更改;

有效载荷可以在型号之间复制、移动，而不影响引用有效载荷的装载直升机质量特性。

4)装载直升机质量特性管理

装载直升机质量特性管理实现如下功能:

管理直升机装载状态有效载荷配置方案、耗油规律配置方案以及装载状态直升机质量特性;

定义装载直升机有效载荷配置方案，挂点数量、位置不限制;

定义装载直升机燃油消耗规律;

计算装载直升机质量特性;

计算并绘制装载直升机重量、重心随燃油消耗变化曲线;

装载直升机装载和卸载过程中重量、重心变化曲线(土豆线);

配置不同燃油消耗规律耗油曲线叠加对比显示分析;

装载直升机重心变化包线计算显示;

最大起飞重量控制;

极限重心配载计算。

5)油箱燃油质量特性管理

管理每个独立油箱在各种油量、各种姿态下的燃油重量、重心、转动惯量数据，取决于每个独立油箱的几何特性;油箱燃油质量特性管理实现以下功能:

油箱的燃油特性按型号分类管理，各型号之间数据共享;

油箱的燃油特性可以在各油箱之间复制、粘贴;

型号的油箱特性可以在各型号之间复制、粘贴;

油箱名称可以被耗油规律引用，油箱名称的改变不影响引用该油箱的耗油规律特性;

一旦油箱燃油特性改变，引用该油箱的耗油规律需要刷新;

使用空机中组合件的组成项目可以被复制、粘贴到油箱的燃油特性。

6)燃油消耗规律质量特性管理

管理各型号直升机燃油消耗规律;一种耗油规律由多个耗油步骤组成。燃油消耗规律设计受直升机重心前后限变化范围限制，对直升机起飞、飞行、着陆过程中各油箱燃油消耗重量及顺序进行强制性规定［2］。燃油消耗规律管理完成如下功能:

定义直升机耗油规律(即为耗油规律添加耗油步骤);

耗油步骤可以在各耗油规律之间复制、粘贴;

型号的耗油规律可以在各型号之间复制、粘贴;

耗油规律可以被装载直升机引用，耗油规律名称的改变不影响引用该耗油规律的装载直升机耗油曲线。

7)数据查询与报表

系统的数据界面采用树状结构的数据组织形式，使其具有零指令查询和报表的性能。在数据库资源管理主界面，左侧的目录树本身就是数据库内容的索引。用鼠标单击目录树上的任何节点，在右侧报表显示区立刻显示出节点属性的报表预览。

3WDM系统实施效果

WDM系统对产品开发和检验具有重要意义，通过该系统的建立，重量专业人员可以更容易、更方便、更有效和更安全地管理并使用重量数据，不但极大地提高工程技术人员工作效率，而且最大限度地揭示了重量数据的价值，完成重量数据的对比分析工作并且形成经验积累。

在型号研制中的初步应用表明，WDM系统可显著提高工作效率，表现在:

1)单人单轮次全机重量重心数据准备时间由原来的一个月缩短为一天，缩短了97%;

2)单人单轮次全机重量重心数据处理时间由原来的一周缩短为一天，缩短86%。

［1］ 蒋新桐，施学明，等．飞机设计手册第十九册直升机设计［M］．北京:航空工业出版社，2005．

［2］ 陈俊章，刘孟诏，等．飞机设计手册第八册重量平衡与控制［M］．北京:航空工业出版社．

Development of Helicopter Weight Character Date Design and Manage System

SONG Changhong，HUANG li，LV Chunlei
(China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001，China)

This paper set a quick and effective weight character date design and manage system by auto extraction module of the date of weight and center of gravity and calculation module of weight，gravity and inertia，based on the core of product architecture．Weight designer could use helicopter weight date more easily，conveniently，effectively and safely，not only enhancing engineer work efficiency，but also promoting the value of helicopter weight date．The system could enhance work efficiency in the application of the aircraft development．

WDM;weight and center of gravity;efficiency

V221+．5

A

1673-1220(2017)02-037-06

2016－10－10

宋长红(1982－)，男，湖南永州人，硕士，工程师，主要研究方向:直升机重量与平衡。