探索復(fù)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(fù)雜產(chǎn)品產(chǎn)品的研制過程中采用新的設(shè)計(jì)手段和技術(shù)進(jìn)而提高創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力服務(wù)。幫助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(shù)應(yīng)用的角度為我國軍工制造企業(yè)提供技術(shù)的引導(dǎo)，并通過進(jìn)一步研究和應(yīng)用，搭建起適應(yīng)最新技術(shù)發(fā)展的國防科技工業(yè)先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)體系，滿足我國大型復(fù)雜裝備快速研制和供應(yīng)的迫切需求。
為了全面反映先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)在國防復(fù)雜產(chǎn)品研制中的應(yīng)用，本文結(jié)合大量的國外研究成果，通過開展“一個(gè)型號(hào)”（洛·馬公司的JSF項(xiàng)目）、“一個(gè)企業(yè)”（波音公司）、“一個(gè)行業(yè)”（船舶工業(yè)）等3個(gè)案例的研究，進(jìn)一步分析國外軍工行業(yè)典型產(chǎn)品研制中采用的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)，以期研究形成面向軍工工業(yè)的、以信息技術(shù)支撐的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)體系，并歸納和總結(jié)復(fù)雜產(chǎn)品研制的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢。
1 洛·馬的“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(xiàng)目是美國軍方歷史上最大的軍火采購項(xiàng)目，總價(jià)值大約2000～4000億美元。
洛·馬公司在JSF項(xiàng)目中采用協(xié)同設(shè)計(jì)制造技術(shù)，應(yīng)用了包括90項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)軟件的系統(tǒng)，構(gòu)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(shí)際制造之前的飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造的各個(gè)環(huán)節(jié)。洛·馬公司的JSF小組能夠調(diào)動(dòng)位于187個(gè)地點(diǎn)的80多個(gè)供應(yīng)商及4萬多名工作人員為戰(zhàn)機(jī)研制共同工作。
洛·馬公司項(xiàng)目發(fā)言人稱，JSF是第一架從一開始就完全實(shí)施數(shù)字化設(shè)計(jì)的飛機(jī)，而商用飛機(jī)波音777不能說是完全實(shí)施了數(shù)字化。JSF制造商在數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用方面創(chuàng)造了先例。完全數(shù)字化的方法在節(jié)省時(shí)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(jī)這樣虛擬設(shè)計(jì)的例子，但波音777這類項(xiàng)目還需要在各個(gè)“設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)”之間進(jìn)行繁復(fù)的數(shù)據(jù)文檔轉(zhuǎn)移，JSF的“數(shù)字化三維實(shí)體設(shè)計(jì)”意味著世界上參與項(xiàng)目設(shè)計(jì)的所有設(shè)計(jì)人員都有權(quán)進(jìn)入設(shè)計(jì)網(wǎng)頁，虛擬飛機(jī)可以用數(shù)字進(jìn)行操縱，因而使制造商避免了在制造物理樣機(jī)時(shí)的返工和昂貴的制造成本。JSF工作小組具有一個(gè)環(huán)球網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，按照允許的級(jí)別進(jìn)入數(shù)字化設(shè)計(jì)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(yīng)商都能進(jìn)入這個(gè)數(shù)據(jù)庫。設(shè)計(jì)和修改數(shù)據(jù)可以即時(shí)傳送，效率和準(zhǔn)確率大大提高。還可以應(yīng)用數(shù)字化數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhǔn)確性。利用該網(wǎng)絡(luò)節(jié)省的時(shí)間和成本是非?？捎^的。
由于JSF項(xiàng)目提高了系統(tǒng)的整體協(xié)同性和信息集成性，經(jīng)過驗(yàn)證，與傳統(tǒng)的戰(zhàn)斗機(jī)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(shí)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(shè)計(jì)。取得這些成就的關(guān)鍵是一個(gè)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(shè)計(jì)、制造和裝配的各個(gè)階段。
波音公司的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)造了航空工業(yè)上一個(gè)又一個(gè)的里程碑，引領(lǐng)著世界航空工業(yè)的技術(shù)發(fā)展趨勢，而波音公司的飛機(jī)數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)，大致經(jīng)歷了4 個(gè)發(fā)展階段：部件數(shù)字樣機(jī)階段（1986～1992），代表型號(hào)有波音747-400、波音767-200、波音737-500等；全機(jī)數(shù)字樣機(jī)階段（1990～1995），代表型號(hào)是波音777等；數(shù)字化生產(chǎn)方式階段（1996～2003），代表型號(hào)是波音767-X等；虛擬生產(chǎn)方式階段（2003至今），代表型號(hào)是波音787。
波音公司數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)體系的核心技術(shù)包括CAD、CAE、CAPP、PLM/PDM，以及系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)MDO等。其中CATIA V5作為飛機(jī)設(shè)計(jì)建模工具可進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)的數(shù)字化預(yù)裝配，及早發(fā)現(xiàn)零件干涉問題，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。ABAQUS、ANSYS、NASTRAN、FLUENT等數(shù)值分析軟件為飛機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、動(dòng)力學(xué)分析、力學(xué)和性能仿真等提供支撐。DELMIA作為數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造解決方案，主要用于工藝規(guī)劃和設(shè)計(jì)，并可用于工藝設(shè)計(jì)的驗(yàn)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(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)/制造/管理一體化技術(shù)在波音公司的大型飛機(jī)研制過程中取得了顯著的成效。波音777飛機(jī)的研制采用三維數(shù)字化定義，數(shù)字化預(yù)裝配（DigitalPre-Assembly，DPA）和并行工程（Concurrent Engineering，CE），在世界上第一次實(shí)現(xiàn)了無紙?jiān)O(shè)計(jì)，打通了從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到管理的全數(shù)字化信息流，該飛機(jī)從立項(xiàng)到首架交付只花了4年半的時(shí)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(gè)月縮短到12個(gè)月，產(chǎn)品成本降低了50%，廢品率降低了80%，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率降低了97.9%。
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(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)生了重大變化，現(xiàn)代艦船設(shè)計(jì)技術(shù)隨著市場的需要和數(shù)字技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來。當(dāng)前，信息技術(shù)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)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(jī)技術(shù)、數(shù)字仿真設(shè)計(jì)、多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)、并行協(xié)同設(shè)計(jì)等先進(jìn)設(shè)計(jì)方法，已經(jīng)使艦船設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)手段的更新、產(chǎn)品表示方法的改變、工作模式的變化、設(shè)計(jì)與制造信息一體化、設(shè)計(jì)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(shù)應(yīng)用同樣廣泛而深入。其內(nèi)涵主要包括數(shù)字化設(shè)計(jì)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(chǔ)和關(guān)鍵的便是艦船設(shè)計(jì)的數(shù)字化，通過對(duì)典型的艦船型號(hào)研制進(jìn)行研究分析，我們發(fā)現(xiàn)艦船設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一方面要從推行CAD/CAPP/CAE/PDM、數(shù)字化樣船技術(shù)、虛擬仿真設(shè)計(jì)技術(shù)、異地協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)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(chǔ)信息，為“數(shù)字造船、綠色造船”提供技術(shù)和信息基礎(chǔ)；另一方面要利用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和信息交換、集成技術(shù)，建立統(tǒng)一的基礎(chǔ)集成平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用集成和資源的一體化管理，為產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)、建造和管理中各種活動(dòng)間各類信息的集成化應(yīng)用和安全保障提供支持。并利用信息技術(shù)的優(yōu)勢，跨越“時(shí)、空、地、部門、個(gè)人”的障礙，突破造船企業(yè)難于實(shí)現(xiàn)有效管理控制的難點(diǎn)，使管理控制實(shí)現(xiàn)透明、及時(shí)、精確和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化，從而使企業(yè)生產(chǎn)資源實(shí)現(xiàn)優(yōu)化配置和物流的有效計(jì)劃、組織、控制和調(diào)整，實(shí)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(zhì)量管理及控制。
通過對(duì)以上3個(gè)不同的層次和角度對(duì)國防科技工業(yè)的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行分析和總結(jié)，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(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)，分析其組織模式和技術(shù)體系，為我國形成軍工復(fù)雜產(chǎn)品研制的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)體系服務(wù)。
通過對(duì)上述3個(gè)案例的數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀研究，總結(jié)出復(fù)雜產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)體系框架。大型復(fù)雜產(chǎn)品研制的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)以協(xié)同工作平臺(tái)為核心，集成各企業(yè)相關(guān)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(gè)協(xié)同環(huán)境中實(shí)現(xiàn)共享和一致性控制，支持主設(shè)計(jì)/制造企業(yè)、型號(hào)供應(yīng)商以及企業(yè)、軍方、政府等不同角色在整個(gè)項(xiàng)目研制過程中協(xié)同工作，以提高整個(gè)項(xiàng)目的研制效率。
當(dāng)前，國外先進(jìn)的復(fù)雜產(chǎn)品研制數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用功能體系結(jié)構(gòu)大致分為3個(gè)層次：
（1）底層為計(jì)算機(jī)支撐環(huán)境，包括網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫等為數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用提供的基礎(chǔ)環(huán)境。
（2）中間層為協(xié)同工作平臺(tái)。該層是支持異地協(xié)同設(shè)計(jì)制造的核心。協(xié)同工作平臺(tái)層為多企業(yè)聯(lián)合研制提供基本的協(xié)同工具。同時(shí)，協(xié)同工作平臺(tái)將提供企業(yè)應(yīng)用集成和數(shù)據(jù)集成工具，實(shí)現(xiàn)協(xié)同平臺(tái)與各企業(yè)的企業(yè)級(jí)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的緊密集成，實(shí)現(xiàn)整個(gè)項(xiàng)目成員之間的信息共享與集成。
（3）頂層為業(yè)務(wù)應(yīng)用層，項(xiàng)目參研企業(yè)根據(jù)所承擔(dān)的任務(wù)類型，各自采用相應(yīng)的數(shù)字化工具進(jìn)行復(fù)雜產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造、管理等。
CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)是數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的核心。為了使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程更加科學(xué)有效，首先，需要采用企業(yè)級(jí)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)技術(shù)控制產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shù)，搭建出一個(gè)協(xié)同工作平臺(tái)，支持異地并行設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)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(guān)技術(shù)。而CAE工程分析工具是對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)、力學(xué)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足國防復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的功能和性能要求，并可對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到虛擬設(shè)計(jì)、制造的產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)技術(shù)已逐漸成為未來產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。
通過分析和總結(jié)，我們歸納出軍工行業(yè)先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)體系中的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：數(shù)字樣機(jī)技術(shù)、虛擬技術(shù)、多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)、并行設(shè)計(jì)技術(shù)、協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)、智能化設(shè)計(jì)技術(shù)等。此外，綠色設(shè)計(jì)技術(shù)雖然目前還不能稱其為復(fù)雜產(chǎn)品研制的關(guān)鍵技術(shù)，但隨著環(huán)保問題的逐漸國際化，各個(gè)國家也逐漸在軍工工業(yè)發(fā)展中重視綠色設(shè)計(jì)技術(shù)。
協(xié)同工作平臺(tái)的建立和使用可充分發(fā)揮各合作伙伴的技術(shù)優(yōu)勢和資源，通過協(xié)同工作平臺(tái)，能夠有效地整合并利用合作伙伴的各種知識(shí)和信息資源，把應(yīng)用于產(chǎn)品和過程的整個(gè)生命周期的工具和資源都集成在一起，促進(jìn)復(fù)雜產(chǎn)品的協(xié)同研制。平臺(tái)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(hào)項(xiàng)目進(jìn)度/質(zhì)量的控制和協(xié)同工作，將設(shè)計(jì)所、合作伙伴、供應(yīng)商、用戶等緊密地聯(lián)系在一起，使處于異地、異構(gòu)計(jì)算機(jī)環(huán)境地復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員、合作伙伴、供應(yīng)商等相關(guān)人員共享各自需要地產(chǎn)品信息，支持整個(gè)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(tái)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(fù)雜地項(xiàng)目管理，異地協(xié)同工作，異地工作流管理，異構(gòu)信息可視化，異構(gòu)信息系統(tǒng)應(yīng)用集成。
4 未來先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)體系發(fā)展
近年來，先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)在產(chǎn)品及相關(guān)技術(shù)的集成方面取得了長足進(jìn)步，其發(fā)展特點(diǎn)是借助信息技術(shù)的飛速發(fā)展，通過并行工程，建立協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，在CAD/CAPP/CAM的基礎(chǔ)上，利用工程數(shù)據(jù)庫，針對(duì)不同目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)、DFx設(shè)計(jì)、快速原型設(shè)計(jì)、全壽命周期設(shè)計(jì)。所追求的目標(biāo)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(gè)階段的因素（如功能、制造、裝配、質(zhì)量、成本、維護(hù)和用戶需求等），強(qiáng)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(jī)制，綜合考慮各相關(guān)因素的影響，使后續(xù)環(huán)節(jié)中可能出現(xiàn)的問題在設(shè)計(jì)的早期階段就被發(fā)現(xiàn)，并得以解決，從而使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段便具有良好的可制造性、可裝配性、可靠性、可維護(hù)性及可回收再生性等特性，最大限度地減少返工，縮短設(shè)計(jì)、生產(chǎn)準(zhǔn)備和制造時(shí)間并大大降低產(chǎn)品投入使用后的維修和保障費(fèi)用。
通過對(duì)典型的復(fù)雜產(chǎn)品研制進(jìn)行研究分析，可看出當(dāng)前先進(jìn)的復(fù)雜產(chǎn)品研制技術(shù)就是利用CAD/CAE/CAPP/PDM、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)手段和設(shè)計(jì)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(guān)鍵技術(shù)包括：數(shù)字化設(shè)計(jì)流程、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系研究，建立復(fù)雜產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)環(huán)境，快速三維數(shù)字設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)研究，面向產(chǎn)品壽命周期全過程，協(xié)同仿真分析，設(shè)計(jì)管理。
本文針對(duì)現(xiàn)代復(fù)雜產(chǎn)品研制過程中涉及機(jī)、電、液、控等多學(xué)科、多專業(yè)以及復(fù)雜程度高的特點(diǎn)，以典型復(fù)雜產(chǎn)品研制為背景，探討和研究了國外國防先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)和設(shè)計(jì)模式的應(yīng)用，涉及數(shù)字樣機(jī)技術(shù)、數(shù)字仿真技術(shù)、多學(xué)科綜合優(yōu)化技術(shù)、協(xié)同設(shè)計(jì)、等設(shè)計(jì)技術(shù)，并以美國波音公司、洛·馬公司以及艦船的先進(jìn)設(shè)計(jì)等為典型案例，重點(diǎn)跟蹤研究了國外先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)和設(shè)計(jì)模式，分析了國外軍工行業(yè)典型復(fù)雜產(chǎn)品研制中采用的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)，深入探討了復(fù)雜產(chǎn)品快速研制的綜合設(shè)計(jì)技術(shù)、方法、模式，并從復(fù)雜產(chǎn)品研制過程和技術(shù)發(fā)展趨勢入手，研究形成了面向軍工工業(yè)的、以信息技術(shù)支撐的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)體系。
該體系的建立將有助于促進(jìn)各軍工企業(yè)應(yīng)用該研究成果，為提高企業(yè)自身設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力提供技術(shù)支撐。
作者：唐輝 , 侯俊杰
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