民机复合材料成本探讨

蔚凤生 何瑞 廉伟

复合材料具有比模量和比强度高，耐腐蚀、抗疲劳、可设计、工艺性好（复杂型面适应性强、可整体成型）等优点，近年来在工业界获得了越来越多的青睐。在航空领域，由于能够满足日益严苛的重量、力学性能和航线运营维护的要求，复合材料的用量更是已经成为飞机先进性的一个重要标志。

随着人们对大型客机安全性、经济性、舒适性、环保性要求的提高，对飞机结构提出了诸如减重等更多的迫切需求，这些需求促使复合材料获得了更为广泛的应用。欧美国家从上个世纪80年代便启动了很多科技计划来推动复合材料在飞机结构上的应用。例如，波音777复材用量占比达到10%，787达到50%;空客A380复材用量占比达到25%，A350XWB达到52%。通过复合材料的应用，飞机的舒适性和经济性都得到了显著改善。中国商飞作为世界航空界后起之秀，充分借鉴自研机型的经验积累，逐级加大复合材料用量，C919复材用量占比能达10%，CR929能达51%。

复材应用的成本挑战

随着市场竞争的逐步加剧，民机在保证安全的前提下，对经济性的要求越来越高，飞机设计师和制造商们开始重视怎样以更低的成本来获得满足性能的飞机，从而提高飞机竞争力。因此，如何降低民机复合材料结构的成本问题，一开始就是各大主制造商的重要考量因素。

从目前的情况来看，复合材料虽具有传统铝合金材料无法比拟的优势，但也存在诸如技术成熟度低和应用经验欠缺等问题带来的挑战。

例如，由于复材结构研制需要采用积木式验证，导致研制成本偏高;民机应用相对成熟的热压罐成型制造工艺，其制造过程主要包括下料、铺贴、打袋、固化、检测、机加，喷漆等，由于材料、工装（铺贴、成型、检验）、自动化设备（自动）和热压罐应用的投入成本很高，导致复材产品制造成本较高，还有制孔、刀具和装配成本也都显著高于金属。

此外，复材大范围应用给运营保障带来一定的压力，修理材料、修理工艺、修理实施、检测等也会产生相应的运营费用。尽管复材结构在运营中维修成本是降低的（因其疲劳损伤少，耐腐蚀，维修检查间隔长），但对于特定损伤，如采用湿铺贴修补的成本会高于金属。

复材的成本结构

飞机产品的盈利模式、成本走向在设计初期就需要确定。飞机采用复合材料，要从其全寿命周期成本的维度加以考虑。复合材料的全寿命周期成本可以划分为研制成本、单机成本、运营成本和处置成本，从成本的重复性又可分为非重复成本（NRC）和重复成本（RC）。

研制成本為复材研制阶段发生的费用，其构成包括材料、专用、外协、劳务费用等，为NRC。

单机成本包含NRC和RC，NRC包括固定资产、专用装置、工装模具和非重复劳动等成本，可按照一定的批产架次分摊，RC包含材料、人工和设备折旧成本等。

运营成本分为直接运营成本（DOC）和间接运营成本（IOC），与飞机的设计和运营参数等密切相关，直接运营成本构成有所有权成本、燃油成本、空勤成本、起降费、地面操作成本、导航费和维修成本（MC）等。其中维修成本包含直接维修成本（DMC）和间接维修成本（IMC）。直接维修成本包含例行维修成本、工时成本和航线检查成本，与复材结构修理设计密切关联。间接维修成本为运营中所产生的各种记录、管理费用等。

处置成本是指飞机进入处置阶段发生的成本，因飞机可能转售或租赁给其他用户运营，或改装成货机，或被封存/解体，处置成本和其取得的收益会对飞机全寿命成本产生影响。

飞机研制经验表明，在详细设计结束时，飞机全寿命周期的主要成本就已经确定。复材结构的方案设计和新技术的选择对复材的研制成本、单机成本、运营成本和处置成本均有重大影响，且二者相互影响和制约，因此，研制阶段要系统性统筹复材结构各成本要素之间的平衡关系，从成本、经济性角度来权衡确定不同的方案，进行设计优化和决策。

复材成本的分析方法

复材成本的分析方法主要有参数估算法、工程估算法、类比法和基于制造工艺过程测算法。

参数估算法基于型号已有复材研制成本统计数据，以复材结构的特征参数如重量等进行成本估算。该方法不考虑工艺方法，虽然准确性存在一定的不足，但能直观快速预估成本和评估产品的成本密度，在复材的成本估算中应用较广。如果复材产品设计的成本密度明显偏离统计回归数据，则需要特别关注设计的合理性。

工程估算法以WBS为基础，逐步计算出单元成本，并逐级向上归集，最终形成复材产品的成本费用。该方法一般应用于飞机研制发展到一定阶段后，其特点是估算准确性高，易于对项目进行分工操作。实际执行中，需要大量经验和数据来确定各单元的成本，因此花费的人力成本和时间成本大。

类比法是建立在已有类似复材产品结构上的分析方法，基于已有复材产品的成本数据，考虑设计、材料、工艺、技术发展、相对经济环境等差异，采用一定的权重因子，对新研制的复材产品成本进行测算。该方法是一种相对粗略的测算方法，主要用于成本测算的早期。

基于制造工艺过程测算法，以工序为基础，测算制造成本，包含RC和NRC。RC以制造工序为基础，测算每道工序对应的材料费和工时费（人工工时和设备工时）。基于产品设计数模，考虑学习效应和相对已有的比较成熟和稳定的生产过程场景，根据实际生产的工时数据完成测算。NRC为研制与制造过程中发生的一次性费用，按一定架次分摊。该方法充分考虑了产品的研制与制造工序和成本要素，能够准确分析产品制造成本，主要适用于详细设计阶段。基于该方法开发出来的工具，已应用于国外主流制造商产品的成本测算。

复材成本的管控

在飞机研制流程中，需要按照门禁管理要求开展复材成本的全流程控制。在研制流程各个阶段，制定复材部段如机身、机翼、尾翼等的目标成本，并严格按照目标成本开展成本控制。在概念开发阶段，根据项目需求和技术成熟度，梳理复材技术可选的初步方案;在立项论证阶段，确定复材应用方案和关键技术清单及研制规划，兼顾技术成熟度和飞机的先进性，保证全寿命周期成本总体可控;在可行性论证阶段，权衡复材应用结构方案和工艺方案，其中成本是一个重要考虑因素;在初步设计阶段，完成复材关键技术攻关，产品和成本团队合理选材，分析材料利用率、制造装配工序、工装、检测、维修等相关的成本要素，进行成本分析评估测算，开展成本控制，通过成本结果驱动复材结构方案和工艺方案的迭代优化;在详细设计阶段，完成复材结构的细节设计，基本上确定了产品成本的走向，即全寿命周期的主要成本已经确定，在后续的全面试制、试飞取证、产品运营与服务验收、持续运营等阶段，设计决定成本的效果会逐步表现出来，如要更改则需花费更大的代价。

复材产品成本的形成将贯穿于设计、验证、制造、运营及处置各环节：设计是产品成本的决定因素，验证是研制成本的主要组成，制造是成本体现的主要环节，运营及维护是成本构成的重要部分。因此，为使成本得到有效控制，确保成本的领先优势，必须对成本形成的重点环节进行控制。

复材成本重点环节需要关联协同并行。其中设计、验证、制造、运营各环节既内部迭代，同时各环节又交叉并行，关联协同，互相融合促进，成本贯穿其中。

在设计环节，要综合评估研制费用、单机制造费用、选材策略、重量指标、燃油经济性、维修性等成本的直接或间接要素，进行成本的正向设计和方案权衡。

要利用复材低成本设计指南、成本测算工具方法、成本价格数据库等，测算和分析成本数据并优化成本。建立成本设计目标，通过工具、方法和平台等开展成本的测算，进行过程管控，逐步逼近复材成本目标。要与竞争机型复材产品设计对标，基于自有技术成熟度，考虑型号共通性，评估不同方案成本差异，在设计阶段就要做好DFX（设计面向各个专业），做好“三好一降一能”，即好设计、好制造、好运营，降成本，能竞争，做好方案权衡。

要统筹考虑型号、课题的设计研发及验证，立足已有能力，增量规划，设计和验证，仿真分析，选择合理设计特征。

在設计和制造一体化方面，要综合考虑零件的批产效率，如手工铺贴或自动化、材料利用率、潜在的供应商能力、专业化发展、工装方案（组合工装、普通钢、殷瓦钢）等，通过一体化迭代三工协同过程，同时合理确定复材件设计方案、制造方案和工装方案。

在制造环节，要基于制造问题导向，提高材料的利用率、设备利用率、生产制造效率、产品合格率等影响成本的参数，降低材料费和工时费;要开展基于制造效率的产品迭代设计，确保稳定、成熟、高效的产品实现过程，满足设计细节、参数和验收标准要求;要通过精益改进活动，优化制造环节，降低成本;项目计划联动，合理地配置资源和设置工作流，提高设备利用率，降低制造费用。

在运营环节，根据结构件的重要性分类和维修性特点，通过不同区域重点结构检查门槛值和检查间隔，针对不同的复材结构修理设计方案，进行维修性成本评估，选择合适的方案，降低维修成本等。

复材成本工作的发展方向

在民机研制中，复材结构的应用是大势所趋，复材成本工作会愈发重要。在未来复材成本工作中，以下几方面非常重要。

首先，要认识到成本作为驱动因素在民机复材研制活动中会不断强化，设计方案要综合考量研发成本、重量影响、制造成本、装备设备投入、运营维护等，迭代优化设计方案，这些将是民机复材结构产品研制中的重要权衡。

其次，随着复材应用规模的扩大，对成本研究也不断深化，需要不断健全成本数据库，形成研发、制造和运营维护成本的快速测算方法，并且根据成本测算的结果进行问题分析，驱动复材研制的各个环节变更并迭代优化。

再次，批产过程中成本控制是重要的考虑因素，因此，在制造过程中，需要通过精益改进、专业化供应商、专业化设备和基于批产需求的设计制造迭代优化，实现降本控制。

最后，采用能降低复材制造成本的工艺，如OOA（非热压罐成型）、液体成型等，发挥其优势，主制造商根据课题或产品研制周期和经费的控制，不断推进复材低成本技术的应用。

总之，复材成本工作是产品研制的关键驱动因素，要坚持复材正向设计理念，DBMOCT协同，专业化发展，推进低成本制造工艺应用，提升复材产品的市场竞争力。