先進復(fù)雜產(chǎn)品研制體系的分析.doc

先進復(fù)雜產(chǎn)品研制體系的分析newmaker針對新時期大型復(fù)雜裝備的研制特點，通過對先進設(shè)計技術(shù)的跟蹤研究，分析國外復(fù)雜產(chǎn)品裝備研制的先進設(shè)計技術(shù)、理論和方法，并結(jié)合典型應(yīng)用案例深入研究先進設(shè)計技術(shù)在復(fù)雜產(chǎn)品研制中的應(yīng)用，以幫助我國軍工制造企業(yè)更好地理解和應(yīng)用先進的綜合設(shè)計技術(shù)。通過探索復(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)計手段和技術(shù)進而提高創(chuàng)新設(shè)計能力服務(wù)。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(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)先進設(shè)計技術(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。國外先進設(shè)計技術(shù)應(yīng)用的典型案例研究為了全面反映先進的設(shè)計技術(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(shè)計技術(shù)，以期研究形成面向軍工工業(yè)的、以信息技術(shù)支撐的先進設(shè)計技術(shù)體系，并歸納和總結(jié)復(fù)雜產(chǎn)品研制的先進設(shè)計技術(shù)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(shè)計制造技術(shù)，應(yīng)用了包括90項網(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際制造之前的飛機設(shè)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(yīng)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(shè)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(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(shè)計的例子，但波音777這類項目還需要在各個“設(shè)計節(jié)點”之間進行繁復(fù)的數(shù)據(jù)文檔轉(zhuǎn)移，JSF的“數(shù)字化三維實體設(shè)計”意味著世界上參與項目設(shè)計的所有設(shè)計人員都有權(quán)進入設(shè)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(luò)系統(tǒng)，按照允許的級別進入數(shù)字化設(shè)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(yīng)商都能進入這個數(shù)據(jù)庫。設(shè)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(yīng)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(luò)節(jié)省的時間和成本是非?？捎^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(shè)計。取得這些成就的關(guān)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(shè)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(shù)應(yīng)用創(chuàng)造了航空工業(yè)上一個又一個的里程碑，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(shè)計技術(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作為飛機設(shè)計建模工具可進行零部件設(shè)計的數(shù)字化預(yù)裝配，及早發(fā)現(xiàn)零件干涉問題，降低設(shè)計風險。ABAQUS、ANSYS、NASTRAN、FLUENT等數(shù)值分析軟件為飛機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、動力學(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)計和制造解決方案，主要用于工藝規(guī)劃和設(shè)計，并可用于工藝設(shè)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(shè)計/制造/管理一體化技術(shù)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(yù)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(shè)計，打通了從設(shè)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(shù)應(yīng)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(shè)計技術(shù)發(fā)生了重大變化，現(xiàn)代艦船設(shè)計技術(shù)隨著市場的需要和數(shù)字技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來。當前，信息技術(shù)是現(xiàn)代設(shè)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(shù)、數(shù)字仿真設(shè)計、多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計、并行協(xié)同設(shè)計等先進設(shè)計方法，已經(jīng)使艦船設(shè)計在設(shè)計手段的更新、產(chǎn)品表示方法的改變、工作模式的變化、設(shè)計與制造信息一體化、設(shè)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(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(shè)計的關(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)計技術(shù)、異地協(xié)同設(shè)計技術(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)；另一方面要利用計算機和網(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，實現(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、建造和管理中各種活動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、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(zhì)量管理及控制。復(fù)雜產(chǎn)品研制的先進設(shè)計技術(shù)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(shè)計技術(shù)進行分析和總結(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設(shè)計技術(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)品研制的先進設(shè)計技術(shù)體系服務(wù)。1 先進設(shè)計技術(shù)體系框架組成通過對上述3個案例的數(shù)字化設(shè)計技術(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)計體系框架。大型復(fù)雜產(chǎn)品研制的先進設(shè)計技術(shù)體系結(jié)構(gòu)以協(xié)同工作平臺為核心，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)在整個協(xié)同環(huán)境中實現(xiàn)共享和一致性控制，支持主設(shè)計/制造企業(yè)、型號供應(yīng)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(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個層次：（1）底層為計算機支撐環(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。該層是支持異地協(xié)同設(shè)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(yīng)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(wù)應(yīng)用層，項目參研企業(yè)根據(jù)所承擔的任務(wù)類型，各自采用相應(yīng)的數(shù)字化工具進行復(fù)雜產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計、制造、管理等。2 先進設(shè)計技術(shù)體系框架的技術(shù)分析CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM等計算機輔助設(shè)計及相關(guān)技術(shù)是數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的核心。為了使產(chǎn)品的設(shè)計過程更加科學(xué)有效，首先，需要采用企業(yè)級產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)技術(shù)控制產(chǎn)品設(shè)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(shù)，搭建出一個協(xié)同工作平臺，支持異地并行設(shè)計、協(xié)同設(shè)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(guān)技術(shù)。而CAE工程分析工具是對產(chǎn)品設(shè)計的結(jié)構(gòu)、力學(xué)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，以滿足國防復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計中的功能和性能要求，并可對產(chǎn)品設(shè)計進行虛擬試驗驗證，達到虛擬設(shè)計、制造的產(chǎn)品設(shè)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(shè)計技術(shù)已逐漸成為未來產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。通過分析和總結(jié)，我們歸納出軍工行業(yè)先進設(shè)計技術(shù)體系中的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：數(shù)字樣機技術(shù)、虛擬技術(shù)、多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)、并行設(shè)計技術(shù)、協(xié)同設(shè)計技術(shù)、智能化設(shè)計技術(shù)等。此外，綠色設(shè)計技術(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，各個國家也逐漸在軍工工業(yè)發(fā)展中重視綠色設(shè)計技術(shù)。3 先進設(shè)計技術(shù)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(shù)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(yīng)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(fù)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(zhì)量的控制和協(xié)同工作，將設(shè)計所、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)計算機環(huán)境地復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計人員、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(fù)雜地項目管理，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 未來先進設(shè)計技術(shù)體系發(fā)展近年來，先進設(shè)計技術(shù)在產(chǎn)品及相關(guān)技術(shù)的集成方面取得了長足進步，其發(fā)展特點是借助信息技術(shù)的飛速發(fā)展，通過并行工程，建立協(xié)同設(shè)計平臺，在CAD/CAPP/CAM的基礎(chǔ)上，利用工程數(shù)據(jù)庫，針對不同目標對象進行多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計、DFx設(shè)計、快速原型設(shè)計、全壽命周期設(shè)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(zhì)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(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(shè)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(fù)雜產(chǎn)品研制進行研究分析，可看出當前先進的復(fù)雜產(chǎn)品研制技術(shù)就是利用CAD/CAE/CAPP/PDM、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計手段和設(shè)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(guān)鍵技術(shù)包括：數(shù)字化設(shè)計流程、標準和規(guī)范體系研究，建立復(fù)雜產(chǎn)品三維設(shè)計環(huán)境，快速三維數(shù)字設(shè)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(shè)計研究，面向產(chǎn)品壽命周期全過程，協(xié)同仿真分析，設(shè)計管理。結(jié)束語本文針對現(xiàn)代復(fù)雜產(chǎn)品研制過程中涉及機、電、液、控等多學(xué)科、多專業(yè)以及復(fù)雜程度高的特點，以典型復(fù)雜產(chǎn)品研制為背景，探討和研究了國外國