飞机可配置数字样机敏捷构建方法研究与应用

李 强，赵 攀

（中国航空工业集团公司第一飞机设计研究院，陕西 西安 710089）

1 引言

随着计算机建模技术、产品数据管理技术和多学科协同设计技术等数字化产品研制新技术的发展，数字样机技术在航空航天以及其他工程领域的应用越来越普遍。数字样机技术的应用在飞机的设计、仿真及制造等领域取代了基于物理样机试验驱动的传统研制模式，形成了仿真驱动的数字样机设计流程，极大提高了工作效率，缩短了型号研制周期。

随着数字样机技术在飞机研制全生命周期过程中的广泛应用，数字样机的种类越来越多。按研制阶段分类，数字样机可以分为一级样机、二级样机和三级样机，一级样机形成于飞机初步设计阶段，用于支撑多方案设计迭代与选型；二级样机形成于飞机详细初步设计阶段，用于支撑多专业设计协调；三级样机形成于飞机详细设计阶段，用于支撑产品详细设计和试制[1]。按产品结构分类，数字样机可以分为结构样机、系统样机、分区样机和全机样机。按样机用途分类，数字样机可以分为仿真样机、工艺样机、培训样机和服务保障样机等。按样机构建目的、构成要素分类，数字样机可以分为几何样机、功能样机和性能样机[2,3]。

数字样机技术在飞机型号研制的应用越来越广泛和深入，但是仍存在以下几方面的问题：

1）产品结构组织形式单一。在特定的飞机研制阶段，基于一种或固定几种产品结构树开展研制工作，组织形式单一。随着数字样机应用范围的扩大，仿真样机、培训样机和服务保障样机等专用样机的构建需求越来越多样化、个性化，单一的产品结构组织形式无法满足不同角色的设计、管理人员根据工作的个性化需求精确、快速获取数字样机。

2）产品结构组织方式不统一。不同型号的产品结构组织方式不一致，有些型号按照ATA100规范组织，有些型号按照部段、系统相结合的方式组织。设计、管理人员同时参与多个型号时，需要学习、适用多种组织方式，PDM系统开发维护人员需要对多种产品结构进行开发维护，给型号设计、管理带来诸多不便。

3）研制阶段转换工作量大。飞机设计一般经历方案设计阶段、详细初步设计阶段、详细设计阶段，在不同阶段产生的数据虽然有所不同，但是相邻的阶段之间数据具有继承性与传递性，阶段的转换是平滑过渡。目前在阶段转换时，通常将设计数据重新保存、重新编号，工作量大，而且新编号的数据与原数据的追溯关系往往难以追踪，此外相同的数据采用不同的编号会产生大量冗余数据。

4）三维模型格式单一。目前三维模型主要采用CATIA软件设计，PDM系统中管理的三维模型为CATIA软件保存的原格式模型。型号研制过程中通常要做大量的多专业设计协调、干涉检查和电子样机评审等工作，涉及的模型数目较多，采用CATIA格式的模型占用空间较大，协调效率较低，迫切需要轻量化格式的模型。

本文以某飞机研制过程为背景，详细描述了数字样机的构建过程，提出了一种数字样机多视图敏捷构建方法，采用产品数据模块化管理和分层管理方法，从区域、部段和系统等维度构建统一的产品结构，提供CATIA格式和轻量化格式的多种设计模型，形成可以根据不同业务需求，准确快速构建不同种类的数字样机的能力，满足飞机研制不同阶段的数字样机需求。

2 总体思路

为简化飞机产品结构树定义与管理，满足飞机不同研制阶段多样化的数字样机构建需求，采用产品数据模块化管理和分层管理方法，构建多种类型的管理视图，实现多维度快速获取设计模型，总体思路如图1所示。

图1 可配置数字样机构建

产品结构树分为两层，即管理层和设计层。管理层实现对数字样机模型的组织，可以按照系统、区域、构建目的、构成要素等维度划分，每个维度可以划分多个层级。设计层由具体的数字样机模型组成，采用模块化管理思想，构建飞机设计模块库，作为数字样机模型的唯一数据源。在飞机研制过程中，对数字样机组织管理的需求是复杂多变的，因此管理层是随着使用场景的变化动态变化的，而构成设计层的设计模块库是唯一的、同源的。在构建产品结构树时，管理层与设计层分别构建，最后构建管理层与设计层的关系。通过管理层与设计层的分离，降低两者之间的耦合度，提高产品结构树管理的灵活性。

在飞机研制过程中，基于数字样机的使用场景，包括干涉检查、维修性分析、运动机构分析和培训演示等，每一种场景获取设计模型的需求可以分解为一组过滤条件。通过在产品结构树管理层选取对应的过滤条件，将每个过滤条件关联的设计模块集合取交集，可以快速得到一组过滤条件对应的设计模型结果。

3 关键技术

3.1 产品结构树分层管理

构成数字样机产品结构树的元素分为两类，一类是设计模型，另一类是用于组织管理设计模型的虚拟节点，因此将产品结构树分为设计层和管理层。

管理层不涉及设计模型的定义以及描述信息，是从数据组织、构型管理等维度构建的特定视图，根据管理的颗粒度不同可以分层级划分。管理层可以从多个维度定义，可以定义结构样机的管理层，管理飞机的结构部件；可以定义系统样机的管理层，管理飞机的组成系统；可以定义分区样机的管理层，管理飞机的不同区域。每种管理层可以定义多个层级，如系统样机的管理层中任务系统可以分为货运分系统、空降分系统和空投分系统等。

设计层基于模块化管理方法定义，将全机分解成一系列设计模块，形成全机的设计模块库，通过对设计模块和模块内零部件的两级管控，简化管理模型[4]。在不同的设计阶段，设计模块的定义方法与原则不同，在方案设计阶段，通常基于总体设计专业发布的外形、气动布局定义结构和系统等专业的方案控制单元，进行多专业的方案设计协调。在详细初步设计阶段，结构、系统等专业基于方案阶段的设计模型定义颗粒度较粗的设计模块，进行多专业的占位协调。在详细设计阶段，飞机设计模块定义要从设计、制造和服务保障多个维度综合考虑[5]。为确保模块定义的合理性和灵活性，工艺工装设计人员和服务保障人员要在设计阶段就介入模块定义工作，将飞机设计数据、制造数据和服务保障数据进行模块化定义，形成完整的飞机设计模块库[6]。

构建数字样机的设计层数据除了数字样机模型，还应该包括三维模型表达的产品信息，例如零部件结构、重量信息和材料尺寸信息等[7]，在详细设计结束后，将产品信息与三维模型一起发布，供制造厂和后续飞机维护保障使用。数字样机构建过程中通过与MCAD、ECAD等设计工具的集成，将三维模型表达的产品信息结构化提取，将提取结果与CAD模型、轻量化模型统一集中管理，形成单一数据源。

3.2 产品结构树多视图管理

基于产品结构树分层管理的思想，管理层用于组织管理设计模型，多视图管理本质上是对管理层的定义与管理。每一个确定的管理层，对应了一种产品结构树的管理视图。

在飞机设计、制造、使用、服务保障的整个生命周期过程中，不同阶段的业务人员需要从不同的角度管理和使用数字样机，因此需要定义多种视图以满足多样的使用需求。

以详细设计阶段为例，将飞机管理层分为固定不变类和个性化定义类，实现可配置数字样机管理层的灵活定义。固定不变类是根据国家标准或行业标准定义的管理层，例如按照飞机部段定义的管理层和按照飞机组成系统定义的管理层等。个性化定义类是根据特定的业务需求定义的组织数字样机模型的管理层，例如起落架装置维修性分析、座舱人机工程分析和环境控制系统培训等。固定不变类管理层相对稳定，定义的时机一般为飞机设计阶段，个性化定义类管理层定义的时机贯穿整个飞机生命周期。

固定不变类管理层定义应遵从单维度原则，即在一种管理层定义时仅考虑一种管理维度，例如按照部段或系统分别定义部段管理层、系统管理层。由于不同业务人员对数字样机的管理需求不同，如果在管理层定义中引入多种管理维度，极易造成产品结构树管理组织混乱，最终无法同时满足不同业务人员的不同需求，业务人员的多样化管理需求是基于固定不变类管理层通过个性化配置实现的。

根据飞机研制需求，定义区域、部段和系统等固定不变类管理层，构建固定不变类管理层信息库，进行统一管理。基于固定不变类管理层信息库，分析业务人员的管理需求，配置满足管理需求的个性化定义管理层。固定不变类管理层统一了产品结构树组织形式，降低了业务人员的学习成本和开发运维人员的开发维护成本。

此外，每个业务人员可以基于管理层信息库，根据工作需求定义一个或多个工作视图，实现对设计模块的个性化管理。个人定制的管理视图，实现了产品结构树组织的个性化需求，提高了工作效率。

3.3 三维模型定制化转换

设计模块包含的设计模型分为CAD原模型和轻量化模型两类。CAD原模型是通过MCAD、ECAD等设计工具设计的模型，包含完整的模型设计过程信息，占用存储空间大。轻量化模型是对CAD原模型简化后得到的模型，保留了设计模型的空间几何信息。

不同工程应用场景对模型的要求不同，在数字化制造过程中的工艺设计、工装设计等环节需要基于CAD原模型进行，因此要将CAD原模型发送到制造单位，支撑数字化制造。在进行全机总体协调、干涉检查和培训演示等工作时，不关注CAD原模型的建模过程，同时考虑到计算、渲染效率等因素通常采用占用存储空间小、使用更方便的轻量化模型。

为满足不同使用场景对轻量化模型格式、精度的需求，提供多种轻量化格式，例如3DXML、SMGXML、CGR和STEP等，提供按精度进行模型轻量化处理的能力，实现不同用户个性化定制三维模型轻量化转换需求。

3.4 数字样机快速配置

建立飞机单一数据源是数字样机快速配置的基础，需要构建统一的管理层信息库和设计层信息库。管理层信息库记录固定不变类和个性化定义类的管理视图，设计层信息库记录CAD模型、轻量化模型。

管理信息库和设计信息库构建完成后，需要构建管理层与设计层的关系，形成完整的产品结构树。管理层与设计层关系构建过程分为两类：固定不变类管理层与设计层关系构建、个性化定义类管理层与设计层关系构建。管理层中的固定不变类基于行业标准或规范，是相对稳定的，在创建设计模块时即可确定与固定不变类管理层的关系。个性化定义类根据业务开展的时机不同，管理层与设计层关系构建时机是不确定的，因此要实现管理层与设计层关系在不同研制阶段的创建与维护。

在飞机研制过程中，设计模块会因客户需求变更、产品设计缺陷、制造工艺或技术升级等原因发生更改，设计模块更改后，要将与被更改设计模块关联的所有关系进行更新，以确保数字样机数据的准确性。

基于统一的管理层信息库和设计层信息库，使得快速实现不同部门业务人员从不同视角和业务对数字样机的需求变得清晰、简洁。不同部门业务人员从不同视角和业务对数字样机的需求，可以分解为对应于不同产品结构树分支的过滤条件。通过查询每个过滤条件与设计模块的关联关系，获取每个过滤条件对应的设计模块集，计算多个过滤条件对应设计模块集的交集，最终得到一组过滤条件对应的设计模型集，从而实现不同业务需求对应数字样机的快速获取。

4 数字样机应用

数字样机是产品的数字化定义，是企业的重要工程数据，包含了产品的研发、生产和销售等环节所需的产品信息，产品寿命周期中的每个阶段都可以从定义的模型中提取出所需要的信息进行协同工作，以支撑飞机设计协同、样机审查、培训、服务保障等业务活动。

本单位根据型号研制业务需求，构建了大型飞机可配置数字样机管理平台，实现了飞机详细设计阶段按型号谱系、型号研制阶段、样机类型和飞机架次有效性等维度对数字样机的管理，提供了不同应用场景中根据多个过滤条件快速获取轻量化模型和CAD设计模型的平台。平台运行页面如图2所示。

图2 数字样机管理平台运行页面

数字样机管理平台为飞机数字样机审查提供了数据源，数字样机审查是数字样机应用的典型案例，对全机数字样机进行不同层级的干涉检查、间隙检查、运动分析、拆装分析和维修性检查等，在数字化环境中提前发现样机中的问题，以减少问题在后续飞机研制中带来的影响。

数字样机审查涉及飞机的各个区域、系统，按照审查范围不同可以分为全机审查、部段审查和区域审查等。审查时需要根据审查需求确定审查范围，并获取审查范围内的设计模块。根据审查范围获取设计模块的过程可以转换为根据配置条件从多个产品结构树中动态过滤设计模块的过程。例如需要对飞机航电系统在机头区域设备的干涉检查，过滤条件为系统样机树中的航电系统分支和结构样机树中的机头分支，过滤过程为在系统样机的结构树中获取所有航电系统分支下的设计模块集与在结构样机的结构树中获取所有机头分支下的设计模块集的交集。

基于数字样机管理平台，构建了包含审查内容规划、审查对象定义、审查过程分析、审查结果管理、审查问题归零和审查信息签审的数字样机审查管理体系。

5 结论

本文通过研究产品结构树的分层管理、多视图管理、数字样机快速配置技术，提出了一种可配置数字样机管理模式，降低了管理层与设计层的耦合度，简化了产品结构树的管理模型，提高了构建多种数字样机的灵活性，为多种数字样机获取提供了丰富的过滤条件，满足了不同部门业务人员在不同阶段的多样化数字样机需求。可配置数字样机管理模式，为满足飞机研制过程中不同的数字样机应用需求提供了扩展性强、灵活度高的解决方案，对在其他工程领域的应用也有一定的借鉴意义。