航天产品数字样机概念研究.pdf

第3 3 卷第0 2 期计算机仿真2 0 1 6 年2 月 文章编号：1 0 0 6 9 3 4 8 ( 2 0 1 6 ) 0 2 0 0 0 6 0 4 航天产品数字样机概念研究 韩喜2 ，赵英杰1 ，杨贺1 ，史阿云2 ( 1 中国航天科工四院，北京1 0 2 3 0 8 ； 2 北京机电工程总体设计部，北京1 0 0 8 5 4 ) 摘要：由于航天工业领域对数字样机的定义和认识不统一，造成的数字样机技术应用推广进展缓慢、不同单位对数字样机的 管理方法和水平参差不齐、基于数字样机的跨单位协同研制工作开展困难等问题。以航天运载器产品为对象，结合产品研 制现状及系统工程模式，从产品研制进程和数字样机应用目的两个维度，提出一种航天产品数字样机的定义和分类方案。 以运载器产品研制进程为主线，将数字样机定义为一级、二级、三级和四级样机，按照应用目的的区别，将研制数字样机分为 功能、性能和构造样机，一方面规范航天产品数字样机技术状态管理，另外可提高数字样机产品的研制水平。 关键词：数字样机；系统工程；功能样机；性能样机；构造样机 中图分类号：T J 7 6 5 4 + 3文献标识码：A C o n c e p tR e s e a r c ho fA e r o s p a c eP r o d u c tD i g i t a lM o c k - u p H A NX i 2 ，Z H A OY i n g j i e l ，Y A N GH e l ，S H IA y u n 2 ( 1 T h eF o u r t hA c a d e m yo fC A S I C ，B e i j i n g1 0 2 3 0 8 。C h i n a ； 2 B e i j i n gM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e rD e s i g n i n gD e p a r t m e n t ，B e r i n g1 0 0 8 5 4 ，C h i n a ) A B S T R A C T ：A st h ea c q u a i n t a n c ea n dd e f i n i t i o no fd i g i t a lm o c k u p ( D M U ) a m o n gd i f f e r e n ti n s t i t u t e si na e r o s p a c e i n d u s t r y ，t h ea p p l i c a t i o no fd i g i t a lt e c h n o l o g yi sl i m i t e d ，t h em a n a g i n gm e t h o da n ds t a n d a r da r ej a g g e da m o n gd i f f e r - e n td e p a r t m e n t sa n dc o l l a b o r a t i v ep r o d u c td e v e l o p m e n ti sh a r dt oi m p l e m e n t T h i sp a p e ra n a l y z e st h ec u r r e n ts i t u a t i o n o fa e r o s p a c ev e h i c l ed e v e l o p m e n ta n dt h ee n g i n e e r i n gs y s t e md e v e l o p m e n tp a t t e r na n dp r e s e n t sac o n c e p to fa e r o s p a c e D M U ，i n c l u d i n gi t sd e f i n i t i o na n dc l a s s i f i c a t i o nf r o mt w od i m e n s i o n sw h i c ha r et h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n da p p l i c a t i o n A l o n gt h em a i nl i n eo fa e r o s p a c ev e h i c l ep r o d u c td e v e l o p m e n tp r o c e s s ，t h ea e r o s p a c ev e h i c l eD M Ui sd i v i d e d i n t of o u rl e v e l s A c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s ，t h ea e r o s p a c ev e h i c l eD M Ui sd e f i n e da sf u n c t i o nD M U ，p e r - f o r m a n c eD M Ua n ds t r u c t u r eD M U T h i sd e f i n i t i o na n dc l a s s i f i c a t i o nm e t h o dC a ni m p r o v et h en o r m a t i v em a n a g e m e n t o fD M Ut e c h n i c a lc o n d i t i o na n dr a i s et h el e v e lo fc o l l a b o r a t i v ed e v e l o p m e n t K E Y W O R D S ：D M U ；S y s t e me n g i n e e r ；F u n c t i o n a lm o c k u p ；P e r f o r m a n c em o c k u p ；S t r u c t u r em o c k u p 1 引言 进入二十一世纪以来，数字样机技术在航空航天及其它 工程领域的应用迅猛发展，驱使传统复杂产品研发进入一个 新的发展领域。国内尤其在航空工业领域，数字样机技术的 发展和应用日趋成熟，在多个飞机型号的产品研制中，已成 功应用数字样机取代传统实物样机，大大缩短了研制周期， 减少了研制成本。近些年来，随着计算机建模技术、基于 P D M 的产品数据管理技术、多学科协同设计技术等数字化 产品研制新技术在航天工业领域的广泛应用，航天产品数字 收稿日期：2 0 1 5 一0 1 1 3 修回1 3 期：2 0 1 5 0 4 1 9 6 一 样机的发展初见端倪，但对于其概念理解尚未统一；除此以 外，航天产品数字样机的研究和应用也主要局限于结构产 品，无法满足航天产品复杂大系统研制的需要。 随着计算机建模技术、计算机仿真分析技术、网络技术、 并行协同技术等的不断发展，数字化技术在航天产品工程领 域的应用陆续展开。近年来，各航天院所陆续开展了基于三 维模型的结构设计、仿真分析、虚拟装配验证等设计制造工 作，数字化技术在航天型号产品研制中的应用成效显著，但 仍存在以下几方面问题： 1 ) 应用范围小 目前的数字化技术主要应用于航天产品结构专业设计 和验证过程中。通过应用数字化建模及分析工具，在产品主 要设计部门，逐渐实现了基于三维模型的结构设计，并且由 万方数据 基于二维图纸的工程发放向“三维模型下厂”的模式转变。 电子电气系统设计初步采用数字化工具，尚未完全实现其与 结构设计的协同开展；软件产品的设计验证尚未开展数字样 机的应用，更多的依赖于基于实物样机的试验验证，开发周 期长，质量难以保证。 2 ) 协同性差 目前在产品研制各阶段、各专业已不同程度的实现了数 字化技术的应用，并生成大量不同的产品数字化模型，然而， 不同专业间的数字化模型难以实现信息共享，尚不能实现基 于单一模型的多专业间协同设计。 3 ) 缺乏管控措施 产品各研制单位基于P D M 系统进行产品数据管理，主 要侧重于产品技术状态管理，具体内容多为产品设计文件和 研试文件，部分将三维模型作为附件依附于技术文件，作为 产品技术状态描述载体，尚未将数字模型技术状态管理纳入 产品数据管理的范畴，使得数字样机质量难以的保证。随着 数字化产品设计、验证、制造技术的深入应用，数字化技术在 产品设计、制造、售后保障等全寿命周期中的应用E t 趋增多， 有必要将数字模型作为产品数据的一部分加以规范管理。 航天工业领域对数字样机的研究工作已开展多年，各单 位对其概念的认识和理解受数字化技术应用水平、实际产品 特点和企业管理模式影响，存在一定的差异，尚未形成统一 标准，这也使得相较于领先的数字化技术应用水平，对于数 字样机的技术状态管理模式相对落后，进而造成跨单位、跨 专业的基于数字样机的产品研制工作难以开展。 本文以运载器产品研制为对象，以其可行性分析与方案 设计、初样、试样和定型四个研制阶段为主线，结合系统工程 研制方法，开展运载器数字样机定义和分类研究。本研究充 分考虑航天产品的共性特点，具备航天工业领域内的可推 广性。 2 航天产品数字样机应用模式 应用数字样机的根本目的有两点：第一，通过先进的计 算机建模技术，构建数字化条件下的产品模型，该模型反映 与实际产品一致的构造、功能和性能信息，基于该数字化模 型，在产品设计初期开展必要的设计验证，发现设计缺陷，优 化设计方案，从而保证设计质量，减少设计周期；第二，将传 统设计模式下，必须基于物理样机开展的分析验证工作由基 于数字样机的虚拟验证取代，减少甚至完全取消设计验证阶 段物理样机的生产。 以系统工程为基础，中国航天领域经过不断创新、实践 和完善，逐步形成了具有自身特色的传统航天型号产品开发 模型，这一模型，以用户要求为起点，描述了系统从要求分析 到系统验证的闭环过程，通常被称为航天产品开发“V ”字模 型，如图1 所示。 从该“V ”字模型理解，航天产品研制过程可以理解为 “自顶向下的设计”和“自底向上的集成”的过程，前者是指 图1 航天产品开发“V 字模型【1 依据用户要求，进行产品方案设计，并按照“总体一系统一分 系统一单机”的“自顶向下”的过程进行产品技术指标分解 和下发，各级参研单位将上游下发的技术指标要求作为设计 工作的输入和依据，开展研制工作；后者是指在下游参研单 位确保其设计结果满足上游提出的技术指标要求的前提下， “自底向上”逐级提交并集成相应设计结果，进行产品集成验 证及设计优化。 数字样机在上述航天产品开发过程中的应用重点为： 作为产品技术指标和设计参数的载体：传统研制模式下，产 品技术指标和设计参数的主要表现形式为研试文件和设计 文件。应用数字样机将相关产品信息通过更加直观、形象的 模型表现，提高了设计和分析手段；作为产品数字化新型 验证模式的工具：应用先进的数字化仿真分析工具，基于数 字样机进行产品结构、功能和性能等特性的验证和优化，将 传统的基于物理样机的试验验证逐渐向数字化验证转变，缩 短研制周期，减少开发成本。 3 航天产品数字样机定义 国内各行业对于数字样机的理解和定义受产品属性约 束，具有较大差异。航空行业标准( H B 7 7 5 7 2 0 0 5 飞机数字 样机通用要求中给出的数字样机定义为：“产品整机或系统 等数字化描述。面向产品从概念设计到售后服务的全生命 周期，可分别用于工程设计、工程分析，如：干涉检查、运动分 析、拆装模拟、加工制造和维护检测等过程。”国家标准( G B T 2 6 1 0 0 2 0 1 0 机械产品数字样机通用要求中给出如下机 械产品数字样机定义：“对机械产品整机或具有独立功能的 子系统的数字化描述，这种描述不仅反映了产品的几何属 性，还至少在