基于MBD的大飞机模块化广域协同研制

引言

借鉴国外航空企业先进经验，在国内，飞机型号的研制通常采用基于模型定义（MBD）的三维数模作为唯一的设计制造协同数据源，从而有效减少了设计和制造部门之间的模型沟通成本和重构所需的时间，也减少或避免了下游因为理解的偏差在重构模型时导致质量事故[1]。而在构型管理中引用模块化技术，把传统的以零组件为更改单元更改为了模块，产品构型管理的复杂度也大大降低了。在大运、C919、AG600等国产大飞机项目中也得到了广泛应用和推广，效果明显。

大飞机研制是一个典型的复杂多阶段工程，成功完成这一型号研发任务需要各个供应商之间的紧密协作。但是由于供应商业务流程体系不一致、数字化平台不互联、协同网络环境复杂等原因，造成一系列的协同问题，比如设计和工艺数字化平台不统一，无法保证数据的准确性；制造供应商无法深刻理解主供应商的MBD技术要求；总体设计单位和分包单位的模块划分原则不一致，导致构型管理失控；部分供应商数字化能力水平有限，仍然处于使用二维图样的时代；缺乏能够对一些先进的管理理念进行理解并运用的人员；对数据进行分析并利用的缺乏有效手段，对产品研制生产周期造成较大影响。

上述问题，本文以国产大型水陆两栖飞机AG600飞机研制为项目背景，从研制一体的角度分析基于MBD技术的供应商协同业务体系，提出一套基于广域网络环境的数字化协同研制平台框架，并对其中若干关键技术进行阐述。

1.飞机模块化与MBD的结合

基于模块的构型管理和基于MBD的全三维设计是飞机数字化研制的两大核心技术[2]。模块化是一种产品规划和组织的方法，通过将产品的各个系统按照不同的模块进行组合管理来实现。在飞机研制过程中采用模块化管理技术可以有效简化飞机的构型管理复杂度[3]。产品结构管理是构型管理的核心要素，飞机产品结构通常会划分为三层，即顶层结构、构型层、底层结构[4]。（如图1）。在模块化的构型管理模式下，飞机的架次有效性信息会关联到到设计方案（DS）对象，零组件不再标识架次信息，制造商需要根据DS架次信息自行计算零组件架次信息。在进行工程更改时，如果架次信息不变，则可采用升版方式，如果架次信息发生变化，则会裂变出现的DS，与改前构型同时存在。

图1 AG600模块化构型管理

MBD技术将产品的设计及制造信息集中在三维模型中定义，从而有效减少了设计和制造部门之间的模型沟通成本和重构所需的时间，也减少或避免了下游因为理解的偏差在重构模型时导致质量事故。它的应用影响了整个产品研制过程，对工艺而言，可以不必重构而直接使用设计模型进行工艺仿真优化和数字化制造验证，提高了工艺设计的准确性和可操作性；对于检验而言，可以直接通过三维模型提取关键特征和尺寸，使得自动化检测成为可能。因此，对于制造企业来说，在实施智能制造改革和创新的过程中，MBD技术的应用与生产各个环节的协同合作是实现数字化、信息化和智能化的关键因素，有助于实现信息流畅通和生产的高效性。

模块化管理的主要目的是为了简化构型管理，使得构型管理和产品设计职能解耦，管理与设计可并行协同。而采用MBD技术将模型、属性、参考标准、引用资源等元素进行了一体化表达，更加简单、准确、高效，进一步简化了产品设计。两者相辅相成，促使产品研制体系更加规范、便于开展多学科协同以及供应商联合研制工作，但同时也给各供应商协同管理提出了更高的要求。

2.基于MBD的模块化广域协同研制框架

2.1总体业务框架

AG600飞机的研制采用了广泛的协作模式，通过与主制造商和供应商之间的密切合作，充分调动了产业链上下游的参与力量，共同推动了研发工作。AG600的主要供应商体系如图2所示。根据AG600飞机的研制分工，主制造商负责大飞机的总体设计与总装，其他任务按照工作包的形式委托给各供应商完成。

图2 AG600型号的主要供应商

围绕“主制造商-供应商”的研制模式，基于全生命周期制定AG600总体协同业务框架，如图3所示的。在这个框架的指导下，我们从AG600飞机项目的全生命周期不同阶段和供应商级别两个维度，重点描述了主要的协同业务。可以明显发现，在飞机研制的各个阶段，都需要供应商积极参与，并在不同层次与主制造商展开协同活动[5]。

图3 AG600飞机“主-供”模式全生命周期协同总体业务框架

2.2总体应用框架

AG600型号的供应链协同业务体系复杂且周期长，传统的独立发展和手工对接方式已经难以满足型号发展的需求。因此，通过采用先进的PLM软件，我们建立了一个针对全生命周期的供应商数字化协同平台，其总体应用框架如图4所示。

图4 AG600供应商协同平台总体应用框架

该框架将首先以PLM为核心底层平台，通过集成CAD、CAPP等设计工具，打通设计、工艺数据流；构建基于MBD的资源库和技术体系，在主制造商内部的基于模块的多专业协同管理。然后基于统一的AG600供应商管理要求，将内部的协同研制环境进行功能扩展,实现主制造商与供应商之间的协同研制管理。主要协同模式如下：

1）机体结构供应商协同：供应商基于统一门户参与飞机机体结构工艺会签、更改贯彻、交付协同及维修支持等工作；

2）设计分包协同：供应商在广域网络环境下，基于主制造商规划的模块和统一的MBD资源库，通过独立的数据协同区进行自顶向下的设计；

3）系统/成品供应商协同：供应商基于统一门户进行上下文协同、成品数据提交、成品更改协同、各类单据协同、维修支持协同等；

4）试验/试飞供应商协同：供应商基于统一的MBD规范与设计资源库进行试验件/测试改装设计、试验构型管理等。

3.关键技术研究

3.1基于模块的多专业MBD设计集成技术

为了简化和统一主制造商和供应商的三维数据提交方式，实现总体、结构、系统等专业设计协同及构型管理的紧密融合，提高MBD模型数据规范化程度，需要通过三维CAD工具与PLM系统进行集成。通过设计资源库等保证数据源头的正确性，通过设计构型管理保证数据的状态有效、可控、可追溯，并支持架次有效性配置。集成架构如图5所示，主要功能点如下：

1）数模在线检入/检出：实现CAD端与PLM端的双向操作功能支持，包括数据检入、检出、更新、批量检入、规范化检查、BOM结构及可视化模型在线浏览等。

2）MBD属性及装配关系的映射:实现CAD端模型MBD属性及其装配关系与PLM端零部件属性及装配关系的匹配映射。

3）可视化转换：在PLM端配置可视化转图服务器，CAD数模检入时，PLM端自动进行可视化转换，生成轻量级模型格式。

4）MBD资源引用：由于资源库在PLM中进行集中管理和维护，PLM端需要提供引用接口，以实现CAD端数据的规范化引用，需要引用的资源库包括标准件库、材料及辅料库、注释库等。

5）数据解析及提取：支持CAD数模检入后的MBD属性提取、R模型/管路等黑包件模型的动态解析，并按照设计方案进行属性匹配和解析后数据的存储、结构化展示、查询及报表输出等。

6）属性信息反写：CAD设计数模经过签署后，支持版本、重量等属性信息向数模属性中反写。

图5基于模块的多专业MBD协同设计集成架构

3.2基于可配置数字样机（cDMU）的审查环境

在飞机研制过程中，主制造商需要与频繁与供应商之间进行设计协同，实现全三维设计环境下的数字样机协调。而可配置数字样机，是在数字样机的基础上，增加不同的配置条件过滤样机模型，以达到形成不同类型样机的目标[6]。为了满足基于cDMU的审查目标，需要建设样机审查环境，应用架构如图6所示。具体功能点如下：

1）重构可配置结构安装视图：在PLM端将原来按ATA章节构建的EBOM，按照结构安装视角进行重构，基于结构大部段进行审查工作包的划分，缩短样机审查前的数据准备时间。

2）基于模块的动态上下文管理：在CAD端动态创建临时会话，用于动态加载多个跨部段的模块数据，并支持快速批量修复关联关系，以便多专业进行在线关联设计。

3）三维模型轻量化与动态装配：在数模检入时实时生成轻量化模型，在模型加载时从可视化服务器下载轻量化模型，可避免本地重复进行模型轻量化转换，节省数模加载时间。

4）可按需切换高/低版本CAD打开模型：高版本CAD对大型装配模型（超过20G）的支持会更好，支持用户自行选择高/低版本CAD客户端打开数模，但需要禁止高版本保存数模，以防止供应商无法打开数据。

5）多级样机审查活动管理：按照样机审查影响范围不同，将审查分为个人审查、专业内审查及跨专业审查三个等级，不同等级对应不同的审查流程。

6）基于流程驱动的审查活动闭环管理：通过审签任务触发审查任务子流程，或主动创建审查任务流程，审查人提交审查报告后结束流程。实现审查报告与审查任务的关联及流程的闭环管理。

图6基于可配置数字样机（cDMU）的审查环境应用架构

3.3基于MBD的广域协同设计管理

主制造商与设计分包供应商为紧密协同工作模式，为了实现供应商和主制造商在广域网络环境下基于统一的协同设计环境进行工作，构建了图5所示的供应商分包设计应用架构。该架构通过协同区的方式进行数据的共享，既能确保供应商按照主制造商的MBD规范和资源进行设计，又能对数据共享范围进行控制，保护数据安全。具体功能点如下：

1）基于协同区的数据隔离：内部设计师角色可以将数据共享至协同区，设计分包用户只能访问协同区的数据，可有效地保护知识产权。

2）统一的MBD模板及资源库：设计分包用户可以通过广域网络调用与主制造商一致的MBD模板和设计资源库（包括标准件库、材料库、注释库），确保分包设计数据规范性；

3）流程驱动的数据提交：分包设计用户完成设计后，可发起审核流程，由内部用户对数据进行评审，评审通过后，数据权限回归至内部用户。评审不通过，可以驳回至分包设计用户，继续完善设计。

图7基于MBD的广域协同设计应用架构

4.工程验证

本文所描述的方案在AG600型号研制过程得到了广泛应用，并取得了良好成效。西飞、成飞民机、陕飞等机体结构供应商通过供应商协同门户进行异地工艺会签、数据接收、更改协同以及单据协同，提升了流程审签效率，确保数据发放的及时、完整且准确，工作界面如图8所示；在机身舱门的分包设计任务中，因为疫情原因，分包供应商无法到现场，最后在异地通过分包协同环境及时、准确了交付了任务；起落架分包设计制造任务中，中航起通过供应商门户提交了供应商协调数模，并通过数字样机审查环境进行了安装协调，最终圆满完成了交付任务，如图9所示。

图8 AG600飞机供应商统一门户界面

图9数字样机审查环境界面

5.结论

本文所描述的解决方案建立在高端PLM软件作为底层平台的基础上，实现了设计、工艺、客户服务、适航以及供应商等各个环节的端到端工程应用一体化。并通过MES、ERP、项目、档案等管理系统的对接，实现计划、采购、库存、成本等数字化运营协同管理；面向全生命周期的各个协同业务应用按照应用组件方式进行构建,支持对不同类型的供应商进行的角色定义，实现权限的差异化管理；通过将供应商的数据协同区与内部主数据区采用逻辑分离的机制，以及采用广域网数据访问控制机制，对供应商的知识产权资料进行了严格的管理，确保主制造商和各供应商的数据安全性。

随着型号系列化的进一步发展以及数字化管理水平的提升，主制造商与各个供应商之间的协同业务将逐渐增多。本方案仍有不足之处，未来还需要对接供应链管理系统和供应商关系管理系统，以真正实现供应商的全生命周期协同管理。