三维结构指令在飞机结构化发展中的分类

Suraj Adhikari

摘 要：文章描述了基于自动生成的CAD数据的产品研发方法，这些CAD数据可以被用作飞机机身的结构分析和生产计划。在设计方面的可制造性的介绍使得在制作原型和工具的昂贵活动之前，做出可行的同步工程设计、生产计划和流程验证。对于飞机部分机身的模拟组装作业的网络分析展现出了当资金效率提升了19%时，对比于实际装配过程，劳动力的利用可以被显著的提升。这次模拟预测了这些结果在单一的最终组装模具中这些结果可以被实现。正如现在2个磨具可以在现实中被用于组装流程中，这一结果可以体现出明显了在财务方面的节省。

关键词：三维结构指令；飞机结构化发展；分类

1 简介

使用已经确立的模拟工具，诸如有限元素分析和计算流体力学，将会提升一个飞机的结构和空气动力学的性能，但是除非一个制成品可以再有限的时间架构中以可负担的成本生产给最终的使用者，否则好的设计是一文不值的。如果标书并没有竞争力以及制造者可能会给自己制造出麻烦，或者被用来制作一个成功的标书的数据并不是现实的，那么高校的设计有可能甚至不能制作成图。就传统而言，在飞机的研发过程中，对于可制造性的考虑以及概念化设计中对于成本的控制并不会如预测技术一样受到相同程度的支持。最终飞机成本的80%是单独由概念化设计阶段所决定，这阶段主要是为了将不同的部分最终拼接成主要的飞机结构，而30%的最终成本则在组装作业阶段所产生。为了实现关于产品研发阶段和飞机成本阶段的关键目标，制造商将必须使用真正的综合方法去生产研发，这些方法包含对于可生产性以及早在产品研发阶段中的成本考虑。为了处理这一问题，并行工程在CAD和CAE工具中得以实现，并且他们被用于在电子技术层面上判断一个飞机如何需要被制造。系统可以提供的制造模拟技术允许工程师和流程计划者快速、有效地去定义、证实、管理和传输完全最佳的生产数据。因此可制造性被包含于从第一天开始的整个制造流程。资源的分析和成本则可以实现优化。与飞机组装、维修和操作方面相关的人体工程学方面的考虑也可以被检验出来。这也将可制造性和成本很早的在产品研发周期中坚定地带入了设计领域，在产品研发周期中许多假设的方案则以对于最终成本很小的影像中很快的被检验是否合理。

文章检验了更综合的方法在飞机研发领域，这一工作使用了已有的为了简单飞行器的设计的工具，这一工具来源于通过组装网络产生的概念，但是文章专注于生产和成本。这些设计工具，已经自动生产了CAD模型为了飞机结构基于一套相对简单的运行需求，诸如数量、范围等等，可以产生工具所需求的CAD数据以用来生产飞机。拥有少数的用于飞机结构和被用于组装的工具的材料，生产模拟软件可以被用于模拟组装的流程，包括虚拟的模型以及制造业网络的研发和分析。正如传统的产品研发技术开始于概念性的设计，伴随着如设计流程一样的细节级别的增长，制造业网络也可以被研发基于一些概念的基础。

创造数据的功能，用于多维设计概念，诸如结构学、流体力学以及成本学科 ，已经被研发出来。为了证实从概念设计到制造业网络的流程，来源于机身组装的实际数据被使用了出来。这使得明显的方法论证明以及模拟计划数据不同与真实数据的验证成为可能。尽管此文章解决了在机身部分的设计和生产问题，设计和模拟工具以及方法论可以被相同的应用于飞机上任意的主要结构项目，包含机翼、机舱和机尾部分。

2 方法论

2.1 机身部分的自动设计

图1说明了现存的综合的实用性的框架。这些框架是用于飞机的概念性开发的，包含许多不同的设计工具，跨越多学科领域。

使用这种框架进行概念性研发的起点在于产品的规格的细分。这包含了与飞机性能有关的各种基础参数，包括他的范围、能力、最高速度以及飞机航程等等。更多与概念性的表现相关的细节信息可以从这些基础的参数中被扩展出来。个体参数的互动关系，诸如推重比、翼加载可以通过在不同的运行环境中被研发出来，不同的运行环境诸如起飞、巡航和降落。使用这些性能参量，基于设计工具的分析表可以被用于发展设计模型，并且概念性的、多维度的CAD几何图形可以被自动生产以用在结构和航空动力性能的详细工作中。一维梁模型可以被产生以用于简单的结构计算。来源于这些模型中的弯曲力矩和剪力图在之后可以被用于装在复杂的二维和三维的有限元法模拟。这些空间的CAD数据也可以从电子数据表中以全球模型或者局部显示的形式更详细的被产出。标准的机身设计被生成基于框架的数量和机身中每单位长度所需求的纵梁的假设。在更详细的水平方面，相似的假设可以由楔子的数量、角度以及其他的所需装配结构的附件所产生。有关重量和重心的信息可以直接从这些模型中导出。完成的概念装配也可以被用于早起部分材料的基础，从这些材料中零件的技术可以用于早期的费用模型中。

这些工作阐明了这些自动化的设计框架工作在飞机的概念设计阶段是如何被加强对于生产模拟的预备。在一个组件的单个零件的CAD数据的自动生成，可以采取进一步的步骤与代表需要组装的夹具模型的自动生成。一些详尽的部分和工具模型可以被结合在数字化生产软件中为了数字模拟，这些数字模拟可以被用作决定和优化生产空间的使用方面。零件的轨道，设备和操作者可以在工作区域周边被追溯到。碰撞检测程序可以用于确保零件、工具和人可以适合于任何狭窄的空间。概念化计划和网络生成的数据也可以被直接从设计模型表格中产生。早期的生产网络也可以通过使用假设和标准的部分被产生了一个给出的机身空间甚至不需要有完成的、详细的设计。每个组装任务中标准的时间容量和劳动力需求可以被与给出的先导流程的网络中相结合。通过这样，关键的轨迹可以被确定劳动力利用之后也会被优化。通过对于劳动力成本的了解，工作量可以被决定且财务的效率也可以得到计算。当工程中关于材料的清单得以完成，这也可以与形成清单的流程和资源信息相结合。之后的部分会描述Delmia软件模块，这一模块会被用来做这类的工作，这些流程被用来决定劳动力的利用并且规划时间。最终主要的结果会对比从实际的飞机机身生产网络中获得的数据。

2.2 数字化制造

Delmia数字生产解决方案是建立在产品、流程和资源（PPR）模型之中。这个PPR结构提供了一个中心的中继以链接所有有关生产活动的数据，包括CAD数据、工程流程介绍和可用的资源。它使得使用者可以模拟产品的性能和管理改动对于产品以及流程和资源的影响。PPR中继TM可以被用于产品开发流程的任何阶段，从设计到生产几乎以及产品工程。它提供了一个完整的观点关于连接点和附属，这些观点在产品流程以及资源中的任何时间中。对于生产流程的优化以及与设计环境和其他的商务系统的无缝对接是数字生产的两个主要益处。个体的用于工作的软件模块主要是： Delmia 流程工程（DPE）通过初步计划和详尽的计划以用于概念设计阶段，这一过程直到生产阶段。通过提供综合的、基于Windows的计划环境，DPE可以提供早期的对于多个方面的识别，包括：流程风险、已被证实流程的再使用、可追踪的变化和决定以及更有效的接触流程知识的途径。在DPE中对于信息的可接触性以及以对于产品、流程和资源信息的综合处理方式意味着代价高的计划错误可以被避免，而且对于需要的投资成本、生产空间以及人力级别的总览也可以在产品开发阶段得以获得。

DELMIA V5 DPM AssemblyTM是一个基于CAD环境、被设计用于优化工业生产流程和组装生产流程，它在计划阶段模拟并且证实生产的流程。许许多多的“假如”的计划可以被测试以极小代价的影响，因为这个流程在设备被购买或装配之前就发生于一个虚拟环境。V5 DPM促使了并行工业的设计以及装配可行性研究，包括设计和生产中冲突的检测、可生产性研究、3D流程计划以及对于装配流程知道的撰写。

DELMIA QUEST提供了一个单个的协作环境以在生产设计期间为了研发和证实生产流动的过程。在任何对于生产促进以及资源方面的投资被做出之前，设计可以被提升，危险和成本的级别可以被缩小，而且流程的效率也可以被数字性的扩大。QUEST这一工作的目的是用于将DELMIA与基于MS Excel的平衡器程序相结合，目的是辨别出流程的瓶颈并且优化在工作站中的操作工艺，在这里的工作站是用于将部分区域的机身部分装配在一起。

3 流程

3.1 为了数据化生产的数据输入

用于这项工作中的机身部分装配，包含使用186个拟合和铆接个造作流程去装配4500个部件。所有的与飞机部分制造相关的数据都会手工的输入PPR中继在Delmia 项目工程中（DPE）。对于产品本身而言，这些信息也包括了工程物料清单（EBOM），其中涵盖了与飞机部件CAD部件相关的连接以及在EBOM中的零件CAD数据连接的生产物料清单（MBOM）。当在图一中展示的综合设计架构被使用，对于概念的飞机而言唯一的不同在于CAD数据将会自动的从MS Excel表格中设计模型中自动的生成。对于需要建造机身的流程中，这些数据包括MBOM，它伴随着详尽的数据（包括操作级别、标准每次流程的小时安排、以及流程操作每个工作的顺序）而产生。资源数据则涵盖产品的地理位置和设计摆放、工具类型和可利用性以及飞机机身部分组装而使用的工具的CAD数据。

3.2 网络分析

在输入了网络数据之后，诸如关键路径、工作量和生产流量的这些参量就会很快的出现从每个由DPE中产生的网络中，在图2可以看到。更广泛的网络分析会使用Delmia 平衡伴随着QUEST得以执行。这个平衡工具是一个表格，表格基于项目，这些项目会将在DPE中的数据转化为可以用于QUEST的格式，为了优化已有的网络。当流程数据被读入平衡工具中，它就可以被相关的信息所增补，这些相关信息包括认知曲线、变速模式、操作形式、数量、技能级别、年龄组以及工具类型和可用性。当网络数据在平衡工具中与被需求的资源参量相结合，那么之后就会使用QUEST进行分析，QUEST会系统性的工作通过制定的创造产出的生产网络，创造的产出包括操作的效率（针对已给的操作类型的结合）和生产流量或循环周期。当分析被完成时，平衡工具会再一次的被使用去查看结果，这些结果被展示以图片和数字的形式。

为了这项工作的目的，平衡工具会被用于与QUEST相结合来确认操作流程的效率（或者利用率）和循环时间以至于权衡研究可以被发展起来，通过看到不同的操作级别的和结合对于流程效率和循环时间的影响。与装配流程相关的、需要其建立机身部分的数据包括典型的人员配备级别以及最小和最大的级别。这些代表了所需要操作的最低的数量去完成一个流程，以及最大的人员数量可以实际上适合并进入工作区域。这些数字的一个评估运算就是一个最优化的过程，这一过程可以将与操作级别相关的现实因素考虑进来。网络分析的就是一个特定的方案，这个方案中没有操作数量的限制从而QUEST可以完成机身组装的流程。产生了运行的级别在拟合和卯合的流程之中，装配人员的数量是保持不变的，而铆工人员的数量是稳定减少的知道点已经到达，循环时间不再成为关键的途径。之后铆工的数量就会保持在所需要完成关键路径的最低水平线上，而装配人员的数量会很大程度上的再次消减，知道循环时间开始超出了关键路径。自动的减少操作的级别增加的流程的效率，因为在少量人数的同事提升了利用率。

达到了这点之后，知道了最小的运行级别，这一级别需要去实现关键路径，要更高的流程效率。如果增长的循环时间是可以被接受的话，最小的运行级别是可能的。更广泛的情节被实现伴随着辨认出循环时间的增长，这也因为最大的流程效率。直到产品的操作流程变得完全有效率的在所需要建造新飞机的任务重，对于给出的流程中生产时间将总是比标准时间要求要长。Delmia平衡软件包含一些功能为了运行一个模拟工具在任何标准的学习曲线的任何阶段。对于这一工作，分析可以在成熟的网络中被执行。这也使一个对于模拟数据和现实飞机机身组装的数据可以进行比较（见图2）。

4 结果

4.1 网络分析

图3展示出分析的起始点。没有限制被建立于操作数量之中以至于平衡软件可以召出完成所有的任务。图3的一图中展示了流程效率的波动，二图展示了操作级别和操作进度的波动。在理想的情境中，计划者会寻求去尽可能的保持操作的级别的稳定以及越高越好的效率。图3展示了操作级别在不同的流程中会差别很大，在效率结果方面相似的波动反过来也导致了对于平均的流程侠侣对于劳动人群之中。然而，这种模拟也提出了一个装配和卯合之间的结合在给定的时间周期方面，给定的时间周期也与消耗的时间相一致从而通过在Delmia流程工程中计算所完成关键的路径。这一关键的路径代表了最低可能的为了飞机驱壳组装而花费的循环时间。

尽管循环时间可以被实现在不限的操作级别的条件下，平均的流程效率会很低对于装配和铆接的过程中。这也是一个事实的必然结果，这个事实是：即使很多的操作可以开始于相同的阶段伴随着这相对大的运行级别，个体会消耗很长阶段的时间去等待工作已使得继续完成流程成为可能，比如装配必须等待铆接流程完成等等。如果操作级别被减少，之后更有效的使用将会被实现由他们的时间和流程效率的增长。然而，如果操作级别特别低，那么生产流量就会升高，因为这里没有足够的人力去在一个合理的时间结构中完成操作。

在图4中的案例A展示了平均效率对于装配和铆接工作以及循环时间，基于操作数量没有限制的前提下。对于案例B到案例E，装配的数量在假使方面是固定的，这一价值被获得为了案例A（无限的劳动力）以及铆接的数量很大程度的减少。对于案例B和C，铆接的效率增长伴随着装配效率的不便以及循环时间仍然保持与关键路径相同的情况下。减少铆接意味着那些剩余现在会保持更加繁忙因此他们的利用率也得以提升。这些工作的流动对于装配而言是不影响的，直到在D中即使是铆接效率增加，简单而言这里也没有足够的铆接工作得以准时完成以实现循环时间等于关键路径，并且循环时间提升了20%。一个更广泛的下降在铆接数量中在E案例下回导致循环时间——在这里有130%——高于关键路径。

为了辨认出所需的最优的装配—铆接组合以实现关键的路径，铆接数量的数值在案例C中显示，而装配数量会呈递增式的下降，其开始数值在案例A中显示。图5展示出案例F到案例K中铆接效率的稳步增加和在案例L中循环时间增加了3%。在铆接数量方面的继续减少如案例M和案例N中的显示导致了循环周期分别增长了31%和89%。在案例铆接的效率比例也有所下降在案例L、M和N中，随着来源于铆接的工作流程的下降。这展示了正如案例K中所显示的装配和铆接的最优组合以完成机身装配流程在最短的时间内。图6展示了流程效率和操作数量是如何变得更加平稳当与图3（无限可用的劳动力）进行对比，伴随更高的平均效率和更低的操作数量。

在图4中的案例D导致在铆接效率方面显著的增长，伴随着循环时间方面20%的增长。如果最优的流程效率优先的且在循环时间方面20%的增长是可以接受的，那么一系列进一步的原则会被使用来识别最优的流程效率。在图7中的案例O展现了在相同铆接数量，如在图3的案例D中流程效率和循环时间，伴随来自于案例K中相同数量的装配。装配的数量在之后会显现递增是的下降来自于案例P到案例S中。图7展现了循环时间保持一致知道装备数量下降到低于案例R中的级别标准。因此，如果在循环时间方面有20%的增长是可以接受的，那么流程效率在铆接和装配方面可以加倍，当与原始案例A相比。图8展示出流程效率是更一致、高级别的，相比于那些在图3的数据，而且图8也展示出操作的数量更加的恒定。

4.2 成本考虑

在每个财年的开始时，经历有责任决定一个预算的数字以覆盖12个月的劳动力成本。如果预算狮子比实际的数字多，那么财务的效率是积极的；如果比实际数字小，对于任何的差额，消极的效率会导致财务资源的问题。当来源于优化的流程效率环境（案例R）总的工作量对比与真实机身组装的数值，会发现模拟的数值实际上比实际工作量小的。结果是有19%的在机身组装流程中财务效率的提升。

模拟数值的推导是使用更多的铆接对比于实际的流程。在关键流程中使用更多的铆接意味着铆接的流程更加快，但是这仍有足够多的工作保持他们的流程效率相对较高，而且只有3%以下的铆接流程效率。随着铆接流程的增加而生成的输出，对于装配的生产流程会更加更小，而他们的流程效率也会有所增长。

模拟的装配流程效率在数值上市真实数据的两倍。因此不仅整个的对于模拟网络的工作量会下降且成本会降低，而且对于价值方面也会提升以作为更好的使用在其执行改变之时。在前文中讨论的模拟的工作率和高的流程效率伴随着单一的控制站中是可行的，这意味着在最后的机身部分的组装中不仅仅需要单个的治具。这也代表了在治具的成本方面有着明显的节省，达到50万—100万英镑。

5 讨论

创造数据用于多维度概念设计的跨越结构、空气动力和成本方面学科的功能性已经被研发。在这篇文章中描绘的这份工作论证了综合设计框架是如何被用于省份分析、设计和计划模型，通过采用一组运行的参量在飞机概念中。这类开放的框架可以被用作生成多维的设计模型在几个模型的工具中。这种方法使得不同级别的模型对于相同分析类型的生成，例如在在一个层次分析整个部分作为一个光束，并在一个较低的水平分析更小，更详细的领域内，作为二维壳或三维固体元素。

为了论证从设计概念到生产网络中的流程，来源于飞机装配流程中的实际数据会被使用。这也使得有一个对于全部综合方法论的明显的演示以及模拟数据与实际数据的一个论证。这一结果被展示与第四部分，展现了劳动力利用在最终的飞机装配流程中式如何被优化的。如果循环时间作为优先，那么之后优化的流程数据可以被决定但是流程的效率更多的倾向于很低。如果利用率和财务的效率是优先考虑的，那么循环时间将会花费的更长。因此对于最终操作数量的决定会成为一个在流程效率和循环时间之间的权衡。

当来源于优化工程效率环境（案例R）的工作量对比于真实的机身组装数据，会发现模拟的数据回避实际的工作量略有减少。这一结果对于组装流程的财务效率有着19%的提升。模拟数据使用更多的铆接相比于真实的流程。使用更多的铆接在关键的流程意味着铆接的流程会执行的更快，但是这里仍然有足够的工作空间来保持流程效率相对较高且只有3%以下的实际流程效率对于铆接方面。作为铆接流程增长后的输出，对于装配的工作流会更加高效且他们的流程效率也会增长。对于装配工作的模拟工作流程是实际装配工作中的数据的两倍。模拟的装配流程效率在数值上市真实数据的两倍。因此不仅整个的对于模拟网络的工作量会下降且成本会降低，而且对于价值方面也会提升以作为更好的使用在其执行改变之时。在前文中讨论的模拟的工作率和高的流程效率伴随着单一的控制站中是可行的，这意味着在最后的机身部分的组装中不仅仅需要单个的治具。这也代表了在治具的成本方面有着明显的节省，达到50100万英镑。

这一工作也已经论证了使用生产模拟方式的优势和便利，对比于传统的计划方法。现阶段较大数量的桌面应用的生产计划可以被单个的、综合的环境所替代，这种综合的环境可以无缝的与图一所示的综合架构进行对接。使用生产模拟和验证软件也将可生产性坚定地带入了设计领域，在这个领域中生产的工程可以做的更多，直接通过装配计划。并行工程设计、生产计划和流程验证会被执行和优化在虚拟环境中，在代价高的原型流程生产设计开始之前。数字的生产环境提供了综合的共享的数据库以为了数据的佳话，以至于任何数量的“假设”情景可以被验证去识别和减少生产的瓶颈或者优化资源的分配。生产的计划、基于模拟的验证、自动的MBOM生成、BOM效率以及工作指导编撰全都基于真实的3D CAD数据库去清晰的制作计划数据伴随着较小的时间成本如果有所改动。验证前的生产计划意味着操作者可以开始在一个虚拟的环境中进行训练在生产开始前，允许了生产可以被更快的引入市场随着学习曲线得以缩短。最佳的生产实践可以被捕捉并且重新应用，因而产品研发的领先时间和质量目标都会被很快的满足，由于重新工作和工程改变顺序的减少，伴随着工程生产的冲突也会减少或者消失。即使所有的这些优势在工作进步中得以充分的体现，这仍没有坚实的内部数据在这些数据中可以允许对于Bombardier的优势有着定量的探究。

关于生产活动中明显的节省部分可以被展现出作为关键的参量，包括对于资源需求的降低、关键时间因素以及最重要的——成本。一个更激烈的市场环境已经带来了对于航空航天产业的一个重要的需求，去提升产品研发方式的效率。飞机复杂性的增长以及获取、设计工程和生产的低效也延长了研发的周期，从另一方面增加了最终的成本。伴随着更少新产品进入市场，创新需要从产品创新调整到流程创新，诸如设计、研发和生产，以为了提升效率和减少成本。这也可以通过或许尽可能早的或许更多关于设计的知识在研发阶段来实现，且可以通过使用综合的设计框架伴以数字化的生产软件来促进这一流程。

6 结论

这一研究清晰的展现了使用数字化生产技术来优化飞机机身装配工作的优势。数字化生产技术和在图一所展示的综合设计框架的结合，意味着概念化生产网络可以被研发，伴随着设计的进步以及对劳动力使用和成本可以制作出准确的预测。生产模拟和验证软件的使用将可生产性坚定地带入设计领域，在这个领域中生产的工程师可以直接的在装配计划中做出更多的工作。

这一方法的优势在于它促使了在确保准确成本下概念化飞机建造的生产并且引领了时间信息以为了投标和计划活动。它提供了事先记录的模拟对于流程的训练和指导，以及可以将流程的效果依据操作级别的经验进行适当的裁剪。数字化的生产环境提供了一个虚拟的设计团队（DBT）领域，因而使用者可以视觉化的进行装配，因而其可以研发、识别和减少装配的问题。

另一个优势在于它促使了对于优化数据的生成和使用，这一数据在生产流程中可以使得人们更好的从生产方面做出决定。综合的、基于Windows的运行环境是很容易去使用而且系统也会自动的产生输出数据，例如多维设计模型、结构和航天性能数据、资源使用和效率表格、车间中的指示等。

网络数据的分析也会被执行为基于学习曲线中的不同的点，而个体在活动和最终装配线上的效率也可以被识别。循环时间和关键路径会自动的被计算，组装的瓶颈也会被高亮出来。

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Classification of 3D Structure Instruction in Aircraft Structural Development

SURAJ ADHIKARI（College of Mechanical and Electrical Engineering， Nanjing University of Aeronautics & Astronautics， Nanjing 210016， China）

Abstract：This article describes a product development approach based on the automatic generation of CAD data， these CAD data can be used as a structural analysis and production plan of the aircraft fuselage. In the design aspect of the introduction makes the introduction of a prototype and tools in the production of expensive activities before making a feasible design， production planning and process validation. Network analysis for the simulation of aircraft fuselage assembly operations shows that when the capital efficiency is increased by 19%， compared to the actual assembly process， the use of labor can be significantly improved. This simulation predicts these results in a single final assembly die and these results can be achieved. As the two abrasive tools can be used in the assembly process in reality， this result can be reflected in the financial aspects of the savings.

Key words：3D structure instruction； aircraft structural development； classification