基于产品几何技术规范（GPS）的航空发动机设计流程优化研究

文/李 悦

产品几何技术规范（GPS）是为了达到产品功能要求所必须遵守的技术依据和产品信息传递与交换的基础标准。[1]在国际标准中，国际标准化组织（ISO）相关GPS 标准体系是影响最广、最重要的基础标准体系之一，与质量管理（ISO 9000）、基于模型的定义（MBD）等重要标准体系有着密切的联系，是实现数字化设计、检验与制造技术的基础。

一、航空发动机研发模式现状

我国航空发动机研制初期，由于技术认知和研制能力有限，在研发体系不完备的条件下开始了型号研制。传统的航空发动机研制通常采用反复修正、反复迭代的研制模式。[2]我国社会经济的发展和国防能力的提升，亟须优化航空发动机正向研发模式。GPS 不仅是基于产品形状、位置精度和表面结构的设计表达，而且是基于产品功能要求的设计表达。其中，对偶性原理更体现了系统工程的需求与验证的理念、并行工程协同研制的思想，把GPS 融入以需求为牵引的航空发动机正向设计流程中，将有助于加速航空发动机自主研制。

国家“十四五”规划对我国当前的社会发展主要目标提出了更高的要求，当前阶段正是国家高质量发展的关键时期。对于制造业，尤其是航空发动机产业，数字化转型是关乎生存和长远发展的必然选择。航空发动机产业，对其系统的高度复杂性、研发的难度、产品几何质量提出了更高的要求。早期，大部分工程师依然按照传统的尺寸公差和形位公差的表达方式来标注图纸。传统的公差设计是通过查询手册或借助经验来完成的，并没有在公差与产品功能之间建立直接的联系。这种标注方式容易使研究团队在对产品图样进行理解时，产生分歧和推诿，严重影响了生产质量与生产周期。而GPS 的应用要求在产品设计之初就从功能出发，以满足功能需求为目标进行公差设计，从而大大提高航空发动机产品结构的设计质量和效率。

二、发动机产品开发模型优化

1.GPS 融入基于系统工程的产品开发流程

GPS 以数学为基础引入了“对偶性原理”，将设计与测量过程构成一个物像系统，把标准与计量用不确定度的传递关系联系起来。借用物像对应原理，GPS 对规范设计阶段和认证检验阶段的特征值进行一致性比较，实现对偶性，从而解决由于测量方法不统一导致测量评估失控引起的纠纷。[3]对偶性模型（见图1）在规范设计阶段，设计工程师可以用表面模型对实际表面进行模拟，从而确定在满足功能要求的前提下要素的最大偏差，用来指导公差设计；在认证检验阶段，检验工程师将实际工件与表面模型进行对比，对与表面模型相对应的要素进行提取、集成和评估等操作，以确定实际工件的误差大小，最后对表面模型和实际工件进行一致性比较，从而确定实际工件是否达到规范要求，能否实现零件的功能要求。

图1 GPS 的对偶性模型

系统工程的核心是验证和确认（V&V）。[4]基于系统工程的产品开发流程定义了产品开发团队完成产品开发全过程，包括了概念、计划、开发和验证4 个阶段（见图2）。基于系统工程的正向研发流程纵向牵引着研发、制造、采购和质量等多个业务领域，使之并行协同地开展产品开发工作。这是一个包含需求分析定义、架构设计、需求分解、部件/子系统设计、结构开发、系统集成与验证、最终成果验收交付的过程。

图2 结合对偶性模型的产品开发流程

GPS 是面向产品开发全过程而构建的控制几何特征的一套标准，应将其融入航空发动机设计流程中。具体操作首先，提炼几何公差设计与检验相关的活动，提取与当前产品开发程序中的相关活动。涉及的相关职能包括系统工程师、设计工程师、制造工艺工程师、质量检验工程师与试验工程师。系统工程师根据市场、客户和政府等多方面的外部需求，通过转换形成原始需求清单；然后通过系统需求分析活动，按结构层级将需求层层分解；通过架构设计、功能设计，将系统需求进行分配，形成各部件子系统的研制规范。设计工程师通过部件/子系统设计和结构件开发的活动；最终，形成产品的全套图纸与技术要求，在图纸和要求中表达基于功能的几何信息与公差信息，精确地表达产品的功能。

制造工艺工程师通过对产品图纸与技术要求的理解能够很好地解读产品的功能要求，并加工出符合要求的产品。质量检验工程师根据图纸对产品的要求，对实际加工出来的产品进行公差的测量与检验，有效判断产品是否合格。试验工程师根据结构层级制定试验计划，开展验证与确认。

2.GPS 融入基于模型的设计、制造与检验过程

MBD 是指由精确几何实体、相关3D 几何、3D标注和属性构成的数据集定义完整的产品定义，其核心是提供全面的产品定义作为协同设计、制造和检验的唯一授权数据。零组件数据集包括制造条件下或装配条件下，以名义尺寸构建的几何实体、零件坐标系、关联几何的尺寸、公差和标注、工程注释、材料要求、管理数据、产品结构清单或相关数据（见图3）。

图3 GPS 应用于MBD 与检验

规范、统一、准确和完整的模型是执行并行协同设计和制造的基础。如果不能准确地进行公差规范表达，会使得最终生产出的工件实体存在一定的偏差，甚至影响到模型的精度、干涉检查、装配和拆装维修。因此，贯彻GPS，从功能需求出发规范表达产品制造信息（PMI）可以准确表达工件的工况。

在基于模型的制造阶段，制造工艺工程师可以对原始模型进行增量建模操作来建立工序模型，在开展工艺设计的同时，可以通过开展工艺过程仿真，对生产能力进行评估；在基于模型的检验阶段，可以使用原始理论模型与实体模型进行对比评估。

基于原始模型GPS 表达的基准，实体模型的检测可选择相应的装夹方式；根据公差标注中的公差带类型选择测量方法，根据公差标注中的滤波和拟合方式选择数据处理的方式，将检测得到的误差值与基于理论正确模型建立的公差带区域对比评估得到检验结果。

3.构建GPS 知识库与工具

在航空发动机研制中贯彻和应用GPS 系列标准势在必行。由于该系列标准涉及大量的先进技术、先进理论，仅仅采用常规的贯标方法对相关技术人才进行培训，不易达到良好的效果。因此需要利用现代信息化手段构建知识库和开发软件的工具，为标准的深入性应用奠定扎实的理论基础和技术保障。

①构建基础产品技术规范知识库

GPS 系列是由全局、基础、通用和补充四大类约200 多个标准组成。这些标准定义了基本原则和基础术语，并规范了几何公差、尺寸公差、表面结构精度的标注和图示、理论定义、特征定义、误差判定、测量设备要求和评定要求等。这些标准在应用的过程中需要借助企业标准资源库，对相关标准进行收集更新及查询管理。

②构建公差设计与标注工具

基于GPS 给出的设计规范的相关要求，在相关产品计算机辅助设计软件（CAD）中嵌入公差设计工具，如西门子公司的Siemens NX 软件。该工具可将GPS 标准中的基准标注方式和公差标注给出相关的使用指南，按步骤给出选择。

③构建误差检查与评估工具

该工具可与三坐标测量机、高精度圆度仪、光学测量仪等电子测量系统集成运行。基于GPS给出的测量过程包括要求、一起的选择、定标与量值传递的方法，与设计规范相关联的评定技术，辅助误差的检测与评定。

三、总结与展望

GPS 是将产品设计的几何规范与计量认证相结合的系统化标准体系，具备可操作性强、先进科学等特点，其优越性毋庸置疑。航空发动机研制任务的严峻形势和对正向产品研制的要求，使得应用GPS 标准势在必行。在航空发动机设计中应用GPS 需要将设计流程、设计标准、设计工具3 个方面相结合，将产品几何技术规范的理念融入设计流程中，将几何公差设计的要求融入MBD中，将相关理论和知识、符号融入知识库与工具中。

在航空发动机设计中应用GPS 最关键的地方是如何把功能需求根据发动机架构层层分解到零组件，并将分解到零组件上的功能要求设计到具体的要素的要求中。在推广应用GPS 的过程中，我们需要结合航空发动机常见类型的功能需求，将相关需求分解到典型结构中，总结并优化典型结构的设计经验与设计规范，强化并促进GPS 的应用实施的落地。