面向全生命周期的复合材料产品高效协同开发模式

◎中国运载火箭技术研究院研究发展中心 彭小波 王悦 王福忠 徐国丽 邓云飞

面向全生命周期的复合材料产品高效协同开发模式

◎中国运载火箭技术研究院研究发展中心 彭小波 王悦 王福忠 徐国丽 邓云飞

针对面向全生命周期复合材料产品设计、工艺协同研制模式在某产品的实施进行了探讨。通过探索基于模型的企业模式、建立数字化工具平台、编制协同设计标准规范等，实现了全生命周期研制过程项目管理的数字化、作业过程的标准化、研制流程的精细化，有效提高了产品研制效率，确保了产品技术状态。

随着计算机和网络技术的迅猛发展，当今产品制造正由传统的串行工程向着多学科、多专业、跨系统、跨地域并行协同研制模式转变。在协同研制模式下，要求设计人员在产品的全生命周期内充分考虑多个系统和专业之间的协同耦合关系，并运用先进的信息手段和管理方法最大限度地减少设计反复，缩短生产准备和制造时间。

复合材料产品的设计和制造是当今飞行器研制的关键技术之一，对减轻飞行器结构质量、提高飞行器性能起到非常重要的作用。国际上技术领先的飞行器，如波音787和空客A350客机的复合材料使用率均超过了50%，并且在产品研制过程中大量采用数字化设计技术和精益管理模式，取得了令人瞩目的成就。在航天器设计领域，复合材料的应用范围逐步扩大，多种航天器的重要结构件大量采用复合材料。

2014年初，中国航天科技集团公司责令中国运载火箭技术研究院研究发展中心在一年之内牵头完成某复合材料产品的研制任务。复合材料产品结构设计与材料设计同步、结构成型与材料制造同时完成，从而决定了构件设计—材料—工艺三者密不可分，在研制过程中必须实施设计、分析、制造和管理的集成。

传统的产品研制模式多局限于金属结构、单个生命阶段，且存在数字化技术和标准化作业管理应用程度不高、数据源不统一、技术状态难管控、周期长等问题，不能实现复合材料产品对设计制造高度集成研制的目标，难以满足预研产品项目快、好、省的研制要求。因此，迫切需要改革原有的科研生产组织模式，通过应用复合材料基于模型定义（MBD）设计技术和集成产品开发模式来保证产品的交付时间及质量。

在研制过程中，项目团队创新实践管理模式，以新型航天产品研制需求为牵引、实现全生命周期复合材料产品精益研制为目标，融合航天航空技术，探索实施复合材料产品研制管理模式，编制产品设计、生产、试验、维护、管理等全生命周期标准规范，固化基于模型的企业（MBE）面向全生命周期三维数字化设计制造一体化流程并应用到产品的具体研制中，显著缩短了产品设计和制造周期。

一、协同开发模式的建设与实践

航天产品设计模式经过数十年的发展，逐步从二维设计转入三维设计，从金属结构串行研制逐步转入复合材料结构集成研制的时代，保障了多个航天型号产品的成功，取得了巨大的进步。但由于当前多个设计单位的复合材料产品数字化设计技术仍局限在设计阶段，产品制造过程中仍采用二维工艺卡片、模线、样板等模拟量进行传递，导致设计制造过程中存在数据源重复、对工人经验依赖性强的问题，不能实现复合材料产品对设计制造高度集成的目标，一定程度上制约了研制效率的提高。

国际先进的企业目前采用构造基于知识的工程（KBE）资源库，建设基于产品数据管理（PDM）的协同设计环境，以实施MBE的设计制造一体化模式作为解决方案，从而降低研制成本，提高产品质量。为此，项目组通过借鉴国际先进技术，针对航天复合材料产品特点采取了一系列措施，实践了高效研制产品开发模式。

1．开发KBE协同设计基础资源库

在基础资源库建设方面，项目组通过建设KBE协同设计基础资源库并定制到协同设计平台，为实现知识工程模式下快速设计奠定了基础。通过某项目结构机构协同研制实践，建立了知识管理系统，包括各种设计模板，如MBD三维建模模板等；各种设计资源库，如复合材料信息库、积木式试验许用值数据库、成品件库、电接插件库等；以及设计支撑知识，如《集成产品开发模式管理》、《先进制造技术解读》等。

2．建立结构机构数字化协同设计平台

在协同设计支撑平台方面，项目组按照全生命周期产品设计中的基础支撑环境、几何样机软件子系统、功能样机软件子系统、试验样机软件子系统、维护样机软件子系统进行系统集成管理，解决了传统模式下不同软件之间集成性差、关联性弱、管理难等问题，实现了数字化资源有效利用的最大化和一种精益管理模式。

3．编制全过程协同设计标准规范

在设计过程标准化作业方面，项目组初步建立了三维协同设计规范体系，涵盖设计准则、制造规范、积木式试验验证、项目管理、协同机制和设计资源管理等内容，制定了《复合材料铺层规范》、《复合材料分析准则》、《复合材料制造要求》、《复合材料积木式试验验证规范》等4个标准规范族，为产品构型和技术管理奠定了基础，促进了全生命周期内量化设计管理与监控，提升了数字化设计知识的可积累性和传承性。

4．探索面向全生命周期的MBE开发模式

在项目管理方面，针对复合材料产品研发过程复杂、系统庞大、协作面广、研制周期紧张等特点，项目组基于自身现有信息化能力条件，运用系统工程思维对并行模式下复合材料产品的方案论证阶段、样机研制阶段、集成演示阶段全过程研制流程进行统一规划，不同产品之间的研制资源可根据不同成熟度阶段人力需求进行合理调配。采用MBE管理方法，围绕产品三维模型采用集成产品开发模式，针对不同产品生命周期，联合多个职能部门和专业按照系统合理的顶层设计规范及协同研制管理流程，使用数十个数字化专业软件开展高效协同设计，实现研制过程中数据源的统一。管理模型和方针路线见图1和图2。

在技术管理方面，通过对三维数字模型定义研制实践的深度总结提炼，探索实施全生命周期MBE技术方案，实现了基于模型的数字化虚拟检测和基于模型的虚拟装配作业指导，将格式多样、关系复杂的设计、制造、检测过程定义数据以三维动画的形式展现到生产现场并与设计模型关联，易于现场操作人员直观理解和执行，有效解决了设计模型在生产线仍需制作工艺卡片、对操作人员的经验和素质依赖性强、难以动态调整、更改难贯彻等问题，实现了产品设计虚拟世界和物理世界的连接。

5．应用MBD复合材料专业的数字化设计方法

在设计方法方面，项目组充分考虑专业背景的影响，在产品的细节设计中依托协同设计平台，运用集成产品开发手段，使得复合材料产品制造、试验的配套单位直接参与产品的协同设计。在复合材料产品三维模型数据集中预先定制制造和试验部门的数据节点，可实现设计、制造和试验人员将产品全生命周期过程中的技术要求与工艺参数，包含各种几何与非几何信息统一集成到MBD数字模型，作为技术状态控制和信息传递的唯一数据源。

图1 面向全生命周期多项目研制管理模型

图2 项目实施总体思路

例如，在结构外形设计中模具设计人员参与评价，在零件详细设计过程中铺层成型工艺人员参与评价。这样可以充分发挥参研人员的专业特长，将后期制造过程中的技术盲点尽可能在方案设计中消除，利于产品质量的提高。经过型号的实践，还形成了对复合材料产品设计、工艺、流程等方面具有完整技术储备的产品开发设计团队。

6．固化全过程、全要素数字化设计方法和流程

在设计流程方面，项目组联合制造人员对零部件三维模型进行可制造性分析，包括产品内外部型面的加工可行性、装配可行性、产品厚度、剪切带铺放方法、装配特点、加强结构的实现方式、圆角设计等，基于复合材料产品设计和工艺特点进行多次评价确定，并将设计过程中的技术要素以知识和软件的形式固化，实现设计流程数字化、智能化管理。

在工艺流程方面，为了进一步加强设计预防控制，特别是对大尺寸、复杂外形复合材料结构的固化变形精确预报显得尤为关键，直接关系到复合材料飞行器方案的可行性。项目组依靠协同评价的基础，借助专业的数字化分析软件，依据行业相关标准规范，对复合材料产品工艺流程进行合理有效的仿真模拟，发现加工成型过程中可能出现的缺陷，用于改进设计方案。

在试验流程方面，项目组借鉴国内外先进的复合材料结构研制思路和方法，应用改进的复合材料结构“积木式”验证方法构建适用于有限重复应用飞行器的复合材料结构“积木式”验证方案和数字化数据库，实现试验数据在产品设计过程中的复用，指导设计分析过程，奠定飞行器结构可靠性和安全性技术基础。

7．实现基于同一数据源的三维数模下厂

在产品模型下厂传递方面，针对三维协同设计作为一项新技术，三维数模数据下厂技术状态难管控的问题，项目组依托协同设计平台在设计和制造部门之间实施基于同一数据源的全三维数据传递流程，如图3所示。

8．实施闭环三维模型设计变更管理

在技术状态更改方面，项目组借助于数字化协同研制平台强大的更改控制和工作流管理功能，在基于模型的更改管理模式下，根据相关标准规范对技术状态的变化进行有序和闭环控制，保证更改信息的正确性、及时性和完整性（见图4）。

设计更改发生以后，产品的制造部门需要对设计更改结果进行相应落实，如相关工艺规程、材料采购等文件的版本更新，以确保工程更改的闭环控制。

二、实践效果

面向全生命周期复合材料航天产品高效协同模式的研究和应用取得了显著的效果，经过1年的生产实践，证明该模式下可缩短研制周期40%以上。具体对以下几个方面的能力产生了明显的提升效果：

在结构设计方案设计能力方面，借助基于面向全生命周期协同设计方法，设计人员用较短时间就可以开展多方案的可行性对比和结构精细化设计，完成结构方案的优化设计，在确保方案可行的基础上实现了最优化。

在研制进度控制能力方面，从设计、制造串行工作的传统模式转变成设计、制造一体化协同工作，将原来制造期间的部分工装设计、长周期材料采购、工艺方案制定提前到产品方案设计阶段，可有效减少设计、制造信息的不一致，从而缩短设计制造周期、提升产品质量、减少产品报废率。

在产品成本控制能力方面，将产品研制过程中的设计、分析、优化过程应用数字化工具进行作业，将部分需要实物试验验证的工艺过程在设计过程中仿真模拟，降低了研制成本。

三、后续工作思路

图3 设计和制造部门间的数据传递

图4 状态更改流程

创新研制模式的有效运行实现了产品设计和制造一体化，统一数据源，显著提升了研制效率。但由于不同航天产品的技术特点不同，不同单位研发保障条件也各有差别，建议后续在以下几个方面开展进一步研究：

一是协同交互设计仿真技术的应用。在航天产品研制过程中，设计与工艺的技术研讨多是在集成的环境中进行“面对面”交流探讨，而没有建设相应的异地数字化协同交互仿真平台，在工艺、设计协同中的效率还有较大提升空间。

二是须及早解决知识产权管理问题。目前协同模式虽能有效解决行政管理问题，但无法有效解决知识产权保护问题，对于多部门、多厂所的设计微团队，缺乏有效管理各自的控制技术方法、模型数据以及核心工具的分发、流转和共享等。

面向全生命周期复合材料产品协同设计研制模式的实施，显著缩短了研制周期，该研究成果可直接应用于航天系统其它型号的研制，促进航天型号协同设计管理技术领域的不断发展。◀