先進復雜產(chǎn)品研制體系的分析.doc

先進復雜產(chǎn)品研制體系的分析newmaker針對新時期大型復雜裝備的研制特點，通過對先進設計技術的跟蹤研究，分析國外復雜產(chǎn)品裝備研制的先進設計技術、理論和方法，并結合典型應用案例深入研究先進設計技術在復雜產(chǎn)品研制中的應用，以幫助我國軍工制造企業(yè)更好地理解和應用先進的綜合設計技術。通過探索復雜產(chǎn)品研制過程中集成和協(xié)同的手段和方法，為軍工復雜產(chǎn)品產(chǎn)品的研制過程中采用新的設計手段和技術進而提高創(chuàng)新設計能力服務。同時，這也有助于改善我國軍工制造企業(yè)落后的產(chǎn)品研發(fā)模式，從技術應用的角度為我國軍工制造企業(yè)提供技術的引導，并通過進一步研究和應用，搭建起適應最新技術發(fā)展的國防科技工業(yè)先進設計技術體系，滿足我國大型復雜裝備快速研制和供應的迫切需求。國外先進設計技術應用的典型案例研究為了全面反映先進的設計技術在國防復雜產(chǎn)品研制中的應用，本文結合大量的國外研究成果，通過開展“一個型號”（洛馬公司的JSF項目）、“一個企業(yè)”（波音公司）、“一個行業(yè)”（船舶工業(yè)）等3個案例的研究，進一步分析國外軍工行業(yè)典型產(chǎn)品研制中采用的先進設計技術，以期研究形成面向軍工工業(yè)的、以信息技術支撐的先進設計技術體系，并歸納和總結復雜產(chǎn)品研制的先進設計技術的發(fā)展趨勢。1 洛馬公司JSF 的“全球虛擬企業(yè)”作為下一代高性能的軍用飛行器研制的JSF項目是美國軍方歷史上最大的軍火采購項目，總價值大約20004000億美元。洛馬公司在JSF項目中采用協(xié)同設計制造技術，應用了包括90項網(wǎng)絡軟件的系統(tǒng)，構筑出虛擬開發(fā)環(huán)境，使工程人員可以模擬在工裝和零件實際制造之前的飛機設計和制造的各個環(huán)節(jié)。洛馬公司的JSF小組能夠調(diào)動位于187個地點的80多個供應商及4萬多名工作人員為戰(zhàn)機研制共同工作。洛馬公司項目發(fā)言人稱，JSF是第一架從一開始就完全實施數(shù)字化設計的飛機，而商用飛機波音777不能說是完全實施了數(shù)字化。JSF制造商在數(shù)字化技術應用方面創(chuàng)造了先例。完全數(shù)字化的方法在節(jié)省時間和成本方面產(chǎn)生了巨大效果。盡管已經(jīng)有像波音777商用飛機這樣虛擬設計的例子，但波音777這類項目還需要在各個“設計節(jié)點”之間進行繁復的數(shù)據(jù)文檔轉移，JSF的“數(shù)字化三維實體設計”意味著世界上參與項目設計的所有設計人員都有權進入設計網(wǎng)頁，虛擬飛機可以用數(shù)字進行操縱，因而使制造商避免了在制造物理樣機時的返工和昂貴的制造成本。JSF工作小組具有一個環(huán)球網(wǎng)絡系統(tǒng)，按照允許的級別進入數(shù)字化設計網(wǎng)頁，無論是意大利、挪威、加利福尼亞還是德克薩斯州的工程師和供應商都能進入這個數(shù)據(jù)庫。設計和修改數(shù)據(jù)可以即時傳送，效率和準確率大大提高。還可以應用數(shù)字化數(shù)據(jù)進行產(chǎn)品加工并能夠獲得精確的尺寸，如高精密鉆孔，通過取消分解制造零件的步驟減少了工藝程序，確保了加工的準確性。利用該網(wǎng)絡節(jié)省的時間和成本是非常可觀的。由于JSF項目提高了系統(tǒng)的整體協(xié)同性和信息集成性，經(jīng)過驗證，與傳統(tǒng)的戰(zhàn)斗機開發(fā)生產(chǎn)過程相比，證明了用于JSF的加工量可以減少90%，制造時間減少66%，成本節(jié)約50%以上。JSF將減少50%的零部件和緊固件的設計。取得這些成就的關鍵是一個公共的數(shù)字化產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫被貫穿使用在了JSF的設計、制造和裝配的各個階段。2 波音公司的數(shù)字化研制之路波音公司的數(shù)字化技術應用創(chuàng)造了航空工業(yè)上一個又一個的里程碑，引領著世界航空工業(yè)的技術發(fā)展趨勢，而波音公司的飛機數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)，大致經(jīng)歷了4 個發(fā)展階段：部件數(shù)字樣機階段（19861992），代表型號有波音747-400、波音767-200、波音737-500等；全機數(shù)字樣機階段（19901995），代表型號是波音777等；數(shù)字化生產(chǎn)方式階段（19962003），代表型號是波音767-X等；虛擬生產(chǎn)方式階段（2003至今），代表型號是波音787。波音公司數(shù)字化設計技術體系的核心技術包括CAD、CAE、CAPP、PLM/PDM，以及系統(tǒng)優(yōu)化技術MDO等。其中CATIA V5作為飛機設計建模工具可進行零部件設計的數(shù)字化預裝配，及早發(fā)現(xiàn)零件干涉問題，降低設計風險。ABAQUS、ANSYS、NASTRAN、FLUENT等數(shù)值分析軟件為飛機的結構優(yōu)化、動力學分析、力學和性能仿真等提供支撐。DELMIA作為數(shù)字化設計和制造解決方案，主要用于工藝規(guī)劃和設計，并可用于工藝設計的驗證和仿真。ENOVIA和TeamCenter則作為產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)管理軟件，保持產(chǎn)品數(shù)據(jù)的一致性和可跟蹤性。飛機數(shù)字化設計/制造/管理一體化技術在波音公司的大型飛機研制過程中取得了顯著的成效。波音777飛機的研制采用三維數(shù)字化定義，數(shù)字化預裝配（DigitalPre-Assembly，DPA）和并行工程（Concurrent Engineering，CE），在世界上第一次實現(xiàn)了無紙設計，打通了從設計、生產(chǎn)到管理的全數(shù)字化信息流，該飛機從立項到首架交付只花了4年半的時間，比波音757/767的研制周期9 10年縮短了1/2，用戶交貨期也從18個月縮短到12個月，產(chǎn)品成本降低了50%，廢品率降低了80%，數(shù)據(jù)錯誤率降低了97.9%。3 船舶工業(yè)中的數(shù)字化技術應用自1990 年代中期以來，隨著世界船舶市場的快速發(fā)展，船舶設計技術發(fā)生了重大變化，現(xiàn)代艦船設計技術隨著市場的需要和數(shù)字技術及計算機技術的發(fā)展而發(fā)展起來。當前，信息技術是現(xiàn)代設計的主要特征，以建立一體化的三維數(shù)字模型為核心，輔以數(shù)字樣機技術、數(shù)字仿真設計、多學科優(yōu)化設計、并行協(xié)同設計等先進設計方法，已經(jīng)使艦船設計在設計手段的更新、產(chǎn)品表示方法的改變、工作模式的變化、設計與制造信息一體化、設計管理水平的提高、組織模式的開放等方面起到了重要的作用。圍繞著“數(shù)字化造船”的理念，國外在船舶工業(yè)中的數(shù)字化技術應用同樣廣泛而深入。其內(nèi)涵主要包括數(shù)字化設計船舶、數(shù)字化管理造船和數(shù)字化建造船舶。其中最為基礎和關鍵的便是艦船設計的數(shù)字化，通過對典型的艦船型號研制進行研究分析，我們發(fā)現(xiàn)艦船設計的關鍵一方面要從推行CAD/CAPP/CAE/PDM、數(shù)字化樣船技術、虛擬仿真設計技術、異地協(xié)同設計技術等入手，通過艦船產(chǎn)品全數(shù)字化模型的建立，生成滿足現(xiàn)代造船模式所需的精確制造信息、精確管理基礎信息，為“數(shù)字造船、綠色造船”提供技術和信息基礎；另一方面要利用計算機和網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)庫技術和信息交換、集成技術，建立統(tǒng)一的基礎集成平臺，實現(xiàn)系統(tǒng)的應用集成和資源的一體化管理，為產(chǎn)品開發(fā)、設計、建造和管理中各種活動間各類信息的集成化應用和安全保障提供支持。并利用信息技術的優(yōu)勢，跨越“時、空、地、部門、個人”的障礙，突破造船企業(yè)難于實現(xiàn)有效管理控制的難點，使管理控制實現(xiàn)透明、及時、精確和標準規(guī)范化，從而使企業(yè)生產(chǎn)資源實現(xiàn)優(yōu)化配置和物流的有效計劃、組織、控制和調(diào)整，實現(xiàn)船舶產(chǎn)品全生命周期各環(huán)節(jié)、各過程的成本和質量管理及控制。復雜產(chǎn)品研制的先進設計技術體系通過對以上3個不同的層次和角度對國防科技工業(yè)的先進設計技術進行分析和總結，力求全面地研究和歸納現(xiàn)階段國外軍工工業(yè)中廣泛和深入的先進設計技術，分析其組織模式和技術體系，為我國形成軍工復雜產(chǎn)品研制的先進設計技術體系服務。1 先進設計技術體系框架組成通過對上述3個案例的數(shù)字化設計技術的應用現(xiàn)狀研究，總結出復雜產(chǎn)品的數(shù)字化設計體系框架。大型復雜產(chǎn)品研制的先進設計技術體系結構以協(xié)同工作平臺為核心，集成各企業(yè)相關的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，通過產(chǎn)品數(shù)據(jù)在整個協(xié)同環(huán)境中實現(xiàn)共享和一致性控制，支持主設計/制造企業(yè)、型號供應商以及企業(yè)、軍方、政府等不同角色在整個項目研制過程中協(xié)同工作，以提高整個項目的研制效率。當前，國外先進的復雜產(chǎn)品研制數(shù)字化技術應用功能體系結構大致分為3個層次：（1）底層為計算機支撐環(huán)境，包括網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫等為數(shù)字化技術應用提供的基礎環(huán)境。（2）中間層為協(xié)同工作平臺。該層是支持異地協(xié)同設計制造的核心。協(xié)同工作平臺層為多企業(yè)聯(lián)合研制提供基本的協(xié)同工具。同時，協(xié)同工作平臺將提供企業(yè)應用集成和數(shù)據(jù)集成工具，實現(xiàn)協(xié)同平臺與各企業(yè)的企業(yè)級產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的緊密集成，實現(xiàn)整個項目成員之間的信息共享與集成。（3）頂層為業(yè)務應用層，項目參研企業(yè)根據(jù)所承擔的任務類型，各自采用相應的數(shù)字化工具進行復雜產(chǎn)品的數(shù)字化設計、制造、管理等。2 先進設計技術體系框架的技術分析CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM等計算機輔助設計及相關技術是數(shù)字化設計技術的核心。為了使產(chǎn)品的設計過程更加科學有效，首先，需要采用企業(yè)級產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)技術控制產(chǎn)品設計中的過程數(shù)據(jù)和工作流程。其次，通過產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)管理技術，搭建出一個協(xié)同工作平臺，支持異地并行設計、協(xié)同設計等涉及因特網(wǎng)/企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)支持環(huán)境下的產(chǎn)品需求定義與建模、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換等相關技術。而CAE工程分析工具是對產(chǎn)品設計的結構、力學參數(shù)進行優(yōu)化設計，以滿足國防復雜產(chǎn)品設計中的功能和性能要求，并可對產(chǎn)品設計進行虛擬試驗驗證，達到虛擬設計、制造的產(chǎn)品設計方式，近年來，軍工行業(yè)典型的成功研制已經(jīng)表明，產(chǎn)品數(shù)字化設計技術已逐漸成為未來產(chǎn)品設計的關鍵技術。通過分析和總結，我們歸納出軍工行業(yè)先進設計技術體系中的關鍵技術主要包括：數(shù)字樣機技術、虛擬技術、多學科設計優(yōu)化技術、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術、并行設計技術、協(xié)同設計技術、智能化設計技術等。此外，綠色設計技術雖然目前還不能稱其為復雜產(chǎn)品研制的關鍵技術，但隨著環(huán)保問題的逐漸國際化，各個國家也逐漸在軍工工業(yè)發(fā)展中重視綠色設計技術。3 先進設計技術體系的協(xié)同工作平臺協(xié)同工作平臺的建立和使用可充分發(fā)揮各合作伙伴的技術優(yōu)勢和資源，通過協(xié)同工作平臺，能夠有效地整合并利用合作伙伴的各種知識和信息資源，把應用于產(chǎn)品和過程的整個生命周期的工具和資源都集成在一起，促進復雜產(chǎn)品的協(xié)同研制。平臺的建立可以支持異地多企業(yè)之間的高效信息共享和集成、流程的組織和管理、型號項目進度/質量的控制和協(xié)同工作，將設計所、合作伙伴、供應商、用戶等緊密地聯(lián)系在一起，使處于異地、異構計算機環(huán)境地復雜產(chǎn)品設計人員、合作伙伴、供應商等相關人員共享各自需要地產(chǎn)品信息，支持整個產(chǎn)品生命周期中協(xié)同開發(fā)、生產(chǎn)和管理。支持異地多企業(yè)聯(lián)合研制的協(xié)同工作平臺具備的主要功能包括：支持采用聯(lián)邦式數(shù)據(jù)模型的分布式產(chǎn)品定義及異地信息共享；大型復雜地項目管理，異地協(xié)同工作，異地工作流管理，異構信息可視化，異構信息系統(tǒng)應用集成。4 未來先進設計技術體系發(fā)展近年來，先進設計技術在產(chǎn)品及相關技術的集成方面取得了長足進步，其發(fā)展特點是借助信息技術的飛速發(fā)展，通過并行工程，建立協(xié)同設計平臺，在CAD/CAPP/CAM的基礎上，利用工程數(shù)據(jù)庫，針對不同目標對象進行多學科優(yōu)化設計、DFx設計、快速原型設計、全壽命周期設計。所追求的目標為產(chǎn)品開發(fā)人員從一開始就考慮到產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)各個階段的因素（如功能、制造、裝配、質量、成本、維護和用戶需求等），強調(diào)各部門的協(xié)同工作，通過建立各決策者之間有效的信息交流與通信機制，綜合考慮各相關因素的影響，使后續(xù)環(huán)節(jié)中可能出現(xiàn)的問題在設計的早期階段就被發(fā)現(xiàn)，并得以解決，從而使產(chǎn)品在設計階段便具有良好的可制造性、可裝配性、可靠性、可維護性及可回收再生性等特性，最大限度地減少返工，縮短設計、生產(chǎn)準備和制造時間并大大降低產(chǎn)品投入使用后的維修和保障費用。通過對典型的復雜產(chǎn)品研制進行研究分析，可看出當前先進的復雜產(chǎn)品研制技術就是利用CAD/CAE/CAPP/PDM、虛擬現(xiàn)實等技術，實現(xiàn)產(chǎn)品設計手段和設計過程的數(shù)字化，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)能力。其關鍵技術包括：數(shù)字化設計流程、標準和規(guī)范體系研究，建立復雜產(chǎn)品三維設計環(huán)境，快速三維數(shù)字設計建模，數(shù)據(jù)庫框架和海量信息處理，并行化、最優(yōu)化和智能化的設計研究，面向產(chǎn)品壽命周期全過程，協(xié)同仿真分析，設計管理。結束語本文針對現(xiàn)代復雜產(chǎn)品研制過程中涉及機、電、液、控等多學科、多專業(yè)以及復雜程度高的特點，以典型復雜產(chǎn)品研制為背景，探討和研究了國外國