飞机数字化设计平台建设构想

飞机数字化设计平台建设构想

蔡安

西安飞机工业（集团）有限责任公司

摘要：针对CAD、CAE及PDM在设计部门应用现状，提出了与新一代飞机设计过程相符合的数字化设计平台建设构想，供有关方面参考。

关键词：数字化设计平台

1 引言

20世纪90年代中期，数字化设计制造技术在国内飞机制造业已开始研究，并在产品数字化定义、虚拟装配、产品数据管理、数字样机、设计与制造信息集成、并行工程等技术应用上取得了重大进步。这些技术的应用，在缩短研制周期、降低成本、提高质量方面发挥了一定的作用。但这些成绩都是建立在早期的产品研发流程之上的，其产生的影响仅反应在产品研发的详细设计阶段至产品交付过程中，而对于详细设计阶段之前的应用研究并没有长足的进步，致使产品更新迭代的进程较慢，开发手段落后，不能形成自主研发新品的设计能力。

在总结信息化应用的同时，借鉴设计与制造信息集成的方法，提出了飞机数字化设计平台建设的构想，以解决设计阶段CAD/CAE/CAO数据、过程和工具的管理问题，有效整合企业内软、硬件资源，提高设计效率，增强对市场快速反应能力。

2 飞机数字化设计平台现状及存在的问题

2.1 飞机数字化设计现状

飞机的研制过程既是一种工程技术，又是一种管理技术。传统的飞机的研制过程主要经过方案设计阶段、初步设计阶段、工程发展阶段、生产阶段及使用阶段，即从产品研发到产品报废的全生命周期。

随着CAD/CAM技术、计算机信息技术、网络技术、数字化加工设备的发展和在飞机设计、制造中的应用，从根本上改变了传统的设计和制造方式。在飞机研制过程中全面采用数字化的三维设计、虚拟装配、并行工程，对产品实施全生命周期管理。并且，在设计过程中应用CAE对产品进行分析、计算及仿真，大幅度提高设计水平，以期望最大限度地减少设计返工，缩短研制周期，降低研制成本。

从国内各大飞机公司的情况来看，在型号研制过程中虽然严格按照GJB3206 技术状态管理对型号进行管理，实施自上而下的设计方式，采用CAD进行产品数字化定义，但数字化应用仅仅体现在将原有的二维图纸应用CAD软件设计为三维模型，CAE分析停留在强度

校核，对产品研制全过程并没有大幅度的提高。

从国外各大飞机公司的情况看，面对激烈的市场竞争，它们已将飞机研制这个庞大的系统工程划分为总体设计阶段、工程研制阶段和产品服役阶段。并将在最体现设计水平和设计能力的总体设计阶段着重进行发展，总体集成设计系统的发展上已进入第三代系统。

作为国内飞机设计制造主要基地之一的西飞公司，在工程研制阶段数字化应用达到了国内的领先水平；随着MA60飞机外援外销工作的拓展，对产品服役阶段的数字化工作现已展开；但对型号自主设计和创新设计的总体设计阶段，至今为止还没有一套可用的飞机集成设计环境，因此非常有必要借鉴国外第三代飞机总体集成设计系统的思想和经验，建立一套在产品全生命周期内，在单一数据源管理构架下的全新的飞机数字化设计平台，以实现西飞公司自主设计水平和设计能力的跨越式发展。

2.2 存在的问题

由于飞机设计在产品研制过程中的特殊性，除了借鉴国外最新一代总体集成设计系统的思想和技术外，还应该结合西飞公司的实际情况，分析现有设计体系的根本问题，以便有针对性地建设适合西飞公司设计情况的飞机数字化设计平台。西飞公司目前的实际情况是，商业软件在设计过程已有应用，但软件种类和数量繁多，并且很多软件来自不同的公司，存在的突出问题如下：

●由于某些原因，各种分析仿真软件分散在相关专业由少数设计人员手中，软件无法充分共享，无法充分发挥其应有的作用，而且由于软件使用知识和经验掌握在个人手中，难以积累和重复利用，造成资源浪费。

●各种软件没有按设计流程进行集成并形成专用设计系统，大部分数据流衔接需要依赖人工完成，这种设计工具的孤岛状态造成过程效率低、可靠性差。

●各学科独立设计、难以协调，各级模型相互关系松散，难以实现飞机综合性能的提高和优化，难以通过先进软件的应用实现总体设计能力的提升。

●设计方案的评估主要依靠工程算法或简单的线性方法，改进和优化主要依靠设计人员的经验，对于越来越高的设计要求和越来越复杂的产品，这种设计模式存在先天的局限性。

●设计流程不够清晰和规范，单次设计循环的代价过高，设计过程和结果难以重现；项目的执行和监控仍主要依赖大量协调会议和碰头会，项目的状态和进度难以有效控制；由

于管理效率很低，从而制约了先进软件的应用效果。

飞机设计的各阶段涉及的分析软件种类非常多，尤其是在总体设计过程中，各学科交叉最多、软件之间的耦合关系也最强，因此以上问题严重制约了飞机设计能力的提高。

3 建设飞机数字化设计平台的必要性

飞机设计过程中，总体设计阶段是非常重要的阶段，涉及到诸多学科专业，对于飞机最终性能和经济性有着很大的影响。与工程设计阶段、产品服役阶段不同，飞机总体设计需要全面考虑各个专业的需求，需要综合考虑各系统之间相互联系、相互依存、相互制约的关系，并通过不断地折衷和综合，进行大量的方案对比，不断地进行改进迭代，最终确定综合性能（或总体性能）最佳的设计方案。

在整个飞机研发过程中，总体设计阶段所花费的时间至多占总工作时间的20%~25%，所花费资金不大于5%~10%，而所作的方案决策却占了75%~80%（飞机全寿命费用见图1）。因此飞机产品的命运在很大程度上依赖于总体设计决策的正确性。总体设计阶段所犯的错误，不仅将导致后续设计花费过多的资金和时间，而且还可能影响到方案实现的可能性，因此总体设计是整个飞机研发过程中责任最重大的阶段。随着现代飞机性能越来越先进，系统之间相互影响与制约的关系也越来越复杂，作为综合这些系统的飞机总体设计的作用也越来越重要。

注：

1 RDTE：论证、研制、试验和鉴定阶段

2 ACQ：生产采购阶段

3 OPS：使用阶段

4 DISP：处置阶段