1 引言

    進入二十一世紀以來，數(shù)字樣機技術在航空航天及其它工程領域的應用迅猛發(fā)展，驅(qū)使傳統(tǒng)復雜產(chǎn)品研發(fā)進入一個新的發(fā)展領域。國內(nèi)尤其在航空工業(yè)領域，數(shù)字樣機技術的發(fā)展和應用日趨成熟，在多個飛機型號的產(chǎn)品研制中，已成功應用數(shù)字樣機取代傳統(tǒng)實物樣機，大大縮短了研制周期，減少了研制成本。近些年來，隨著計算機建模技術、基于PDM的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術、多學科協(xié)同設計技術等數(shù)字化產(chǎn)品研制新技術在航天工業(yè)領域的廣泛應用，航天產(chǎn)品數(shù)字樣機的發(fā)展初見端倪，但對于其概念理解尚未統(tǒng)一；除此以外，航天產(chǎn)品數(shù)字樣機的研究和應用也主要局限于結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，無法滿足航天產(chǎn)品復雜大系統(tǒng)研制的需要。

    隨著計算機建模技術、計算機仿真分析技術、網(wǎng)絡技術、并行協(xié)同技術等的不斷發(fā)展，數(shù)字化技術在航天產(chǎn)品工程領域的應用陸續(xù)展開。近年來，各航天院所陸續(xù)開展了基于三維模型的結(jié)構(gòu)設計、仿真分析、虛擬裝配驗證等設計制造工作，數(shù)字化技術在航天型號產(chǎn)品研制中的應用成效顯著，但仍存在以下幾方面問題：

    1)應用范圍小

    目前的數(shù)字化技術主要應用于航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)專業(yè)設計和驗證過程中。通過應用數(shù)字化建模及分析工具，在產(chǎn)品主要設計部門，逐漸實現(xiàn)了基于三維模型的結(jié)構(gòu)設計，并且由基于二維圖紙的工程發(fā)放向“三維模型下廠”的模式轉(zhuǎn)變。電子電氣系統(tǒng)設計初步采用數(shù)字化工具，尚未完全實現(xiàn)其與結(jié)構(gòu)設計的協(xié)同開展；軟件產(chǎn)品的設計驗證尚未開展數(shù)字樣機的應用，更多的依賴于基于實物樣機的試驗驗證，開發(fā)周期長，質(zhì)量難以保證。

    2)協(xié)同性差

    目前在產(chǎn)品研制各階段、各專業(yè)已不同程度的實現(xiàn)了數(shù)字化技術的應用，并生成大量不同的產(chǎn)品數(shù)字化模型，然而，不同專業(yè)間的數(shù)字化模型難以實現(xiàn)信息共享，尚不能實現(xiàn)基于單一模型的多專業(yè)間協(xié)同設計。

    3)缺乏管控措施

    產(chǎn)品各研制單位基于PDM系統(tǒng)進行產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，主要側(cè)重于產(chǎn)品技術狀態(tài)管理，具體內(nèi)容多為產(chǎn)品設計文件和研試文件，部分將三維模型作為附件依附于技術文件，作為產(chǎn)品技術狀態(tài)描述載體，尚未將數(shù)字模型技術狀態(tài)管理納入產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的范疇，使得數(shù)字樣機質(zhì)量難以的保證。隨著數(shù)字化產(chǎn)品設計、驗證、制造技術的深入應用，數(shù)字化技術在產(chǎn)品設計、制造、售后保障等全壽命周期中的應用日趨增多，有必要將數(shù)字模型作為產(chǎn)品數(shù)據(jù)的一部分加以規(guī)范管理。

    航天工業(yè)領域?qū)?shù)字樣機的研究工作已開展多年，各單位對其概念的認識和理解受數(shù)字化技術應用水平、實際產(chǎn)品特點和企業(yè)管理模式影響，存在一定的差異，尚未形成統(tǒng)一標準，這也使得相較于領先的數(shù)字化技術應用水平，對于數(shù)字樣機的技術狀態(tài)管理模式相對落后，進而造成跨單位、跨專業(yè)的基于數(shù)字樣機的產(chǎn)品研制工作難以開展。

    本文以運載器產(chǎn)品研制為對象，以其可行性分析與方案設計、初樣、試樣和定型四個研制階段為主線，結(jié)合系統(tǒng)工程研制方法，開展運載器數(shù)字樣機定義和分類研究。本研究充分考慮航天產(chǎn)品的共性特點，具備航天工業(yè)領域內(nèi)的可推廣性。

    2 航天產(chǎn)品數(shù)字樣機應用模式

    應用數(shù)字樣機的根本目的有兩點：第一，通過先進的計算機建模技術，構(gòu)建數(shù)字化條件下的產(chǎn)品模型，該模型反映與實際產(chǎn)品一致的構(gòu)造、功能和性能信息，基于該數(shù)字化模型，在產(chǎn)品設計初期開展必要的設計驗證，發(fā)現(xiàn)設計缺陷，優(yōu)化設計方案，從而保證設計質(zhì)量，減少設計周期；第二，將傳統(tǒng)設計模式下，必須基于物理樣機開展的分析驗證工作由基于數(shù)字樣機的虛擬驗證取代，減少甚至完全取消設計驗證階段物理樣機的生產(chǎn)。

    以系統(tǒng)工程為基礎，中國航天領域經(jīng)過不斷創(chuàng)新、實踐和完善，逐步形成了具有自身特色的傳統(tǒng)航天型號產(chǎn)品開發(fā)模型，這一模型，以用戶要求為起點，描述了系統(tǒng)從要求分析到系統(tǒng)驗證的閉環(huán)過程，通常被稱為航天產(chǎn)品開發(fā)“v”字模型。

    從該“V”字模型理解，航天產(chǎn)品研制過程可以理解為“自頂向下的設計”和“自底向上的集成”的過程，前者是指依據(jù)用戶要求，進行產(chǎn)品方案設計，并按照“總體一系統(tǒng)一分系統(tǒng)一單機”的“自頂向下”的過程進行產(chǎn)品技術指標分解和下發(fā)，各級參研單位將上游下發(fā)的技術指標要求作為設計工作的輸入和依據(jù)，開展研制工作；后者是指在下游參研單位確保其設計結(jié)果滿足上游提出的技術指標要求的前提下，“自底向上”逐級提交并集成相應設計結(jié)果，進行產(chǎn)品集成驗證及設計優(yōu)化。

    數(shù)字樣機在上述航天產(chǎn)品開發(fā)過程中的應用重點為：①作為產(chǎn)品技術指標和設計參數(shù)的載體：傳統(tǒng)研制模式下，產(chǎn)品技術指標和設計參數(shù)的主要表現(xiàn)形式為研試文件和設計文件，應用數(shù)字樣機將相關產(chǎn)品信息通過更加直觀、形象的模型表現(xiàn)，提高了設計和分析手段；② 作為產(chǎn)品數(shù)字化新型驗證模式的工具：應用先進的數(shù)字化仿真分析工具，基于數(shù)字樣機進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能和性能等特性的驗證和優(yōu)化，將傳統(tǒng)的基于物理樣機的試驗驗證逐漸向數(shù)字化驗證轉(zhuǎn)變，縮短研制周期，減少開發(fā)成本。

   3 航天產(chǎn)品數(shù)字樣機定義

    國內(nèi)各行業(yè)對于數(shù)字樣機的理解和定義受產(chǎn)品屬性約束，具有較大差異。航空行業(yè)標準(HB7757—2005飛機數(shù)字樣機通用要求》中給出的數(shù)字樣機定義為：“產(chǎn)品整機或系統(tǒng)等數(shù)字化描述。面向產(chǎn)品從概念設計到售后服務的全生命周期，可分別用于工程設計、工程分析，如：干涉檢查、運動分析、拆裝模擬、加工制造和維護檢測等過程。”國家標準《GB／T26100—2010機械產(chǎn)品數(shù)字樣機通用要求》中給出如下機械產(chǎn)品數(shù)字樣機定義：“對機械產(chǎn)品整機或具有獨立功能的子系統(tǒng)的數(shù)字化描述，這種描述不僅反映了產(chǎn)品的幾何屬性，還至少在某一領域反映了產(chǎn)品的功能和性能特性。產(chǎn)品的數(shù)字樣機形成與產(chǎn)品設計階段，可應用于產(chǎn)品全生命周期，這包括：工程設計、制造、裝配、檢驗、銷售、使用、售后、回收等環(huán)節(jié)；數(shù)字樣機在功能上可以實現(xiàn)產(chǎn)品干涉檢查、運動分析、性能模擬、加工制造模擬、培訓宣傳和維修規(guī)劃等方面。”

    國標給出的數(shù)字樣機定義主要面向結(jié)構(gòu)設計專業(yè)，對本文研究有一定指導意義，但對于航天產(chǎn)品這類集結(jié)構(gòu)、電氣、軟件等多專業(yè)于一體的復雜系統(tǒng)而言，是遠遠不夠的；航空產(chǎn)品具有與航天產(chǎn)品相同的多學科融合性和復雜性，且同樣采用系統(tǒng)工程的研制方法，具有較高的可借鑒性。

    本文認為，航天產(chǎn)品數(shù)字樣機的認識應以結(jié)構(gòu)類產(chǎn)品為基礎，兼顧電子類產(chǎn)品、軟件類產(chǎn)品研制新需求。以目前模式下產(chǎn)品和工作特點為依據(jù)，并本著指導航天產(chǎn)品數(shù)字化研制新模式探索的原則，本文給出航天產(chǎn)品數(shù)字樣機定義如下：

    航天產(chǎn)品數(shù)字樣機是指應用數(shù)字化方法和工具，對航天產(chǎn)品整機、分系統(tǒng)或單機產(chǎn)品加以數(shù)字化描述并建模而形成的數(shù)字化模型的集合。數(shù)字樣機應反映產(chǎn)品的構(gòu)造、功能和性能等全屬性特性，其具體表現(xiàn)形式包括具有直觀可視性的二維或三維產(chǎn)品仿真模型，也包括抽象的數(shù)學模型，其應用面向從概念設計到售后服務的產(chǎn)品全生命周期，包括產(chǎn)品可行性分析、方案設計、工程研制和驗證、售后綜合保障性設計、售后培訓等過程。

    航天產(chǎn)品數(shù)字樣機應具備三大技術特點：①真實性：反映與實際產(chǎn)品一致的產(chǎn)品構(gòu)造、功能和性能屬性；② 面向航天產(chǎn)品論證／工程研制／售后等全生命周期；③ 多學科交叉性：構(gòu)建過程充分考慮航天產(chǎn)品涉及的結(jié)構(gòu)、電子、控制、流體和液壓等多學科構(gòu)成要素。

    航天產(chǎn)品數(shù)字樣機是為了優(yōu)化產(chǎn)品研制模式而提出的數(shù)字化手段，其設計過程可從以下三方面理解：① 設計輸人：數(shù)字樣機的構(gòu)建的初始化條件，包括設計約束、設計指標要求等，如用戶提出的產(chǎn)品使用需求、上游設計下發(fā)的設計指標要求、產(chǎn)品功能設計要求等；② 承載的研制任務：即數(shù)字樣機的具體應用，如產(chǎn)品功能設計、性能仿真分析及優(yōu)化、工藝設計及分析、虛擬模裝等，對于不同產(chǎn)品，或同一產(chǎn)品的不同階段而言，同一數(shù)字樣機可能承載完全不同的研制任務；③設計輸出：基于數(shù)字樣機的研制工作所得到的最終成果，包括產(chǎn)品功能參數(shù)、性能參數(shù)、構(gòu)造參數(shù)等，數(shù)字樣機的設計輸出應與設計輸入對應，確保輸出參數(shù)滿足提出的設計指標要求。

    4 航天產(chǎn)品數(shù)字樣機分類

    按照航天產(chǎn)品數(shù)字樣機構(gòu)建的目的、構(gòu)成要素的差異，分為功能樣機、性能樣機和構(gòu)造樣機，其各自的含義如下：

    1)功能樣機：在產(chǎn)品研制的某一階段，針對產(chǎn)品一個或多個功能特性的設計與驗證，將必要的產(chǎn)品本身的構(gòu)成要素加以數(shù)字化描述，并以二維圖、三維模型或數(shù)學模型等多種方式加以具象表達的數(shù)字樣機。功能樣機是產(chǎn)品設計的起點，其設計輸人一般為產(chǎn)品研制任務書。通過功能樣機的構(gòu)建，最終在數(shù)字化條件下，實現(xiàn)產(chǎn)品“從無到有”的設計與驗證。

    2)性能樣機：在產(chǎn)品的功能設計完成之后，針對其一個或多個性能特性，以產(chǎn)品研制任務書中提出的性能指標要求為依據(jù)，應用先進的計算機仿真建模技術，對產(chǎn)品相關構(gòu)成要素和虛擬驗證環(huán)境加以數(shù)字化建模而形成的數(shù)字樣機，用于在數(shù)字化條件下，驗證產(chǎn)品主要性能指標是否滿足預期要求，為產(chǎn)品的優(yōu)化和完善提供參考信息。性能樣機應包含兩部分內(nèi)容：產(chǎn)品功能模型和虛擬驗證環(huán)境模型，即在功能樣機構(gòu)建完成的前提下，通過虛擬建模技術，構(gòu)建面向某一或某些性能特性分析的虛擬驗證環(huán)境(如電磁環(huán)境、力學環(huán)境、熱環(huán)境、虛擬工藝環(huán)境等)，對產(chǎn)品的設計指標進行進一步的分析和優(yōu)化。

    3)構(gòu)造樣機：面向物理樣機生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)字化定義，構(gòu)造樣機的構(gòu)建即產(chǎn)品(Digital Product Definition，DPD)過程。完整的構(gòu)造樣機應包含反映真實產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的全構(gòu)造要素，包括零部件的幾何參數(shù)、精度參數(shù)、材料參數(shù)、管理參數(shù)、工藝參數(shù)等；整機或組件的裝配參數(shù)、部件相對位置關系、裝配精度、裝配方法等。構(gòu)造樣機的構(gòu)建必須在基于功能樣機和性能樣機進行的設計驗證均以完成，需要進行物理樣機的生產(chǎn)之前，也就是說，如果某一研制階段無需涉及物理樣機的生產(chǎn)，則該階段可不進行構(gòu)造樣機的構(gòu)建和應用。

    按照航天產(chǎn)品的研制階段分類，以運載器為例，其各研制階段包括可行性與方案設計階段、初樣階段、試樣階段定型階段，將其數(shù)字樣機分為一級樣機、二級樣機、三級樣機和四級樣機，其中“級”的本質(zhì)是產(chǎn)品成熟度的概念。在各階段樣機(各級樣機)中，又包括功能樣機、性能樣機和構(gòu)造樣機，結(jié)合圖2對該分類方案加以闡述。

    如圖2所示：橫坐標對應運載器產(chǎn)品研制各階段，即方案、初樣、試樣和定型階段；縱坐標對應特定階段中樣機構(gòu)建的先后順序和內(nèi)容，自底向上分別對應功能樣機、性能樣機、構(gòu)造樣機和物理樣機。

    對于功能樣機和性能樣機，定義一級、二級、三級和四級樣機分別對應于方案、初樣、試樣和定型階段，其分級本質(zhì)上是產(chǎn)品設計成熟度的不斷完善，設計指標的不斷優(yōu)化，系統(tǒng)成熟度的不斷提升；對于構(gòu)造樣機，其分級定義面向物理樣機的生產(chǎn)，并產(chǎn)生于某一特定研制階段中，也就是說，如果在某一研制階段中不存在物理樣機的生產(chǎn)，則該階段內(nèi)不進行構(gòu)造樣機的構(gòu)建。

    功能、性能和構(gòu)造樣機的構(gòu)建和應用為串聯(lián)關系：功能樣機應用于產(chǎn)品的設計和功能驗證，解決產(chǎn)品“從無到有”的問題；性能樣機在產(chǎn)品功能設計完成的基礎上對其性能特性進行驗證，確保其滿足性能指標研制要求；構(gòu)造樣機用于將設計參數(shù)轉(zhuǎn)化為可用于指導實物生產(chǎn)的制造信息。對于不同研制階段的數(shù)字樣機而言，其構(gòu)造樣機的構(gòu)建目的、構(gòu)成要素和構(gòu)建過程是一樣的，只是對應生產(chǎn)的物理樣機有所差異；而功能樣機和性能樣機在構(gòu)成要素上存在較大差異，因為各階段研制任務和內(nèi)容有較大差異。

    如圖2中所示，當某一階段生產(chǎn)的物理樣機設計指標滿足要求后，即可進行設計轉(zhuǎn)階段，進行下一階段產(chǎn)品的設計。需要指出的是，物理樣機生產(chǎn)的目的是通過基于該樣機的地面試驗、飛行試驗進一步驗證產(chǎn)品設計的成熟度，隨著計算機仿真分析能力的不斷提高，許多基于物理樣機的驗證試驗已經(jīng)逐步被功能、性能樣機所取代，也就是說，如果數(shù)字化分析驗證的可靠性滿足研制需求，完全有能力取消某些研制階段中物理樣機的生產(chǎn)。反映在圖2中，即如“點劃線”所示：若基于性能樣機的分析驗證結(jié)果與物理樣機相同，則可以取消該階段構(gòu)造樣機的構(gòu)建(也就是取消了該階段物理樣機的生產(chǎn))，直接將其作為轉(zhuǎn)階段的依據(jù)。

    本文認為，航天產(chǎn)品各階段劃分雖略有差異，但對于本文提出的分類方案均適用，只需以此為依據(jù)，依據(jù)具體的產(chǎn)品特點(階段劃分、各階段工作內(nèi)容和指標要求等)進行適當改進即可。

    5 定義及分類方案應用

    航天產(chǎn)品數(shù)字樣機在建模和管理過程中，首先依據(jù)產(chǎn)品研制階段、數(shù)字樣機構(gòu)建目的、功能參數(shù)輸入、性能指標要求等對其進行定義和分類，如用于試樣階段飛行試驗的運載器產(chǎn)品制造的數(shù)字樣機為三級構(gòu)造樣機。以該階段工作要求、該樣機的技術指標要求為依據(jù)，確定模型的構(gòu)建要求、步驟和驗收指標等。

    在此基礎上，開展數(shù)字樣機的建模、分析驗證、數(shù)據(jù)管理等工作，該過程中，以樣機的技術指標要求為依據(jù)，開展技術狀態(tài)標識、審核、更改和紀實等管理工作。

    由于在數(shù)字樣機的構(gòu)建之前，便以定義和分類的方式對其應用目的、工作內(nèi)容和驗收指標進行了“量化”，使得后續(xù)工作“有法可依、有章可循”。此外，各單位遵循同樣的定義和分類方案，使得跨單位的模型可傳遞性和可用性大大提高，有助于提高協(xié)同研制效率。

    6 總結(jié)

    航天產(chǎn)品數(shù)字樣機技術的應用要早于研究，因此，各航天院所雖然普遍采用了數(shù)字化技術開展產(chǎn)品設計制造工作，但對于數(shù)字樣機的理解，尤其在基于數(shù)字樣機的協(xié)同方面，存在較大的差異，這也嚴重制約了數(shù)字樣機技術的深入應用和推廣。本文以運載器產(chǎn)品為對象，結(jié)合航天產(chǎn)品基于系統(tǒng)工程的研制模式和特點，提出一種運載器產(chǎn)品數(shù)字樣機的定義和分類方案，該方案中，按照運載器研制的四個階段，將其分為一級、二級、三級和四級樣機；按照數(shù)字樣機應用目的分為功能、性能和構(gòu)造樣機。簡要介紹了本方案在航天產(chǎn)品數(shù)字化研制中的應用場景。本文研究充分考慮了不同種類航天產(chǎn)品開發(fā)的共性，具有較高的適用性和可行性。