0 引言
模塊化的核心思想是結(jié)合系統(tǒng)工程的概念將復(fù)雜產(chǎn)品進(jìn)行分解，將強(qiáng)耦合關(guān)系的產(chǎn)品或數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，通過接口與其他模塊交聯(lián)，并使模塊之間保持較弱的關(guān)聯(lián)關(guān)系。將模塊分配給不同部門或人員進(jìn)行研發(fā)、制造，可以非常顯著的降低產(chǎn)品復(fù)雜性、減少研發(fā)成本和提高管理效率，極大的方便產(chǎn)品的配置和維護(hù)工作。
航空、航天等產(chǎn)品的研發(fā)屬于大型的系統(tǒng)性工程，由于內(nèi)部關(guān)系復(fù)雜，更改牽涉面廣，為了應(yīng)付龐大的產(chǎn)品數(shù)據(jù)和復(fù)雜構(gòu)型的管理，世界上主流的飛機(jī)制造廠商已經(jīng)采用了模塊化的方式對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)。
本文在B787等飛機(jī)較先進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理思想基礎(chǔ)上，以某型號民用飛機(jī)研發(fā)為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用模塊化思想和全三維設(shè)計(jì)手段，結(jié)合實(shí)際案例提出一套符合我國國情且較完整的民用飛機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理思路。
1 國內(nèi)外飛機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理現(xiàn)狀
1.1 國外現(xiàn)狀
波音、空客、龐巴迪等各主要飛機(jī)制造商在20世紀(jì)80年代左右開始將傳統(tǒng)的基于圖樣結(jié)構(gòu)樹的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理方案逐步推廣到基于模塊的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理方案，通過多構(gòu)型配置、小批量生產(chǎn)的模式，延伸出各子型號的飛機(jī)，豐富產(chǎn)品類型，滿足不同用戶及更改的要求。
目前波音、空客、龐巴迪等飛機(jī)制造商在各自型號中，主要通過對設(shè)計(jì)和制造工作包以及構(gòu)型管理項(xiàng)的分解實(shí)現(xiàn)模塊化管理，并通過架次有效性控制設(shè)計(jì)模塊的更改。管理思路類似，但在設(shè)計(jì)手段、細(xì)節(jié)控制和操作上有所區(qū)別。
資料顯示，B787等最新的機(jī)型，在繼承早期B737NG等模塊化設(shè)計(jì)和制造思想基礎(chǔ)上，完全取消二維圖樣并使用全三維模型表達(dá)產(chǎn)品信息，將大量工作從二維圖紙中解放出來，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中零組件件號對應(yīng)的管理對象更加集中和唯一。迅速降低管理對象復(fù)雜度，極大提高工作和產(chǎn)品更改效率，逐步建立了各企業(yè)新的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理標(biāo)準(zhǔn)。
B787項(xiàng)目在新的模塊化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理中，簡化了零組件更改原則，只要影響到制造的實(shí)物（功能、配合、外形）都可通過更換零組件構(gòu)型號方式更改，除非僅修訂數(shù)模中的表達(dá)錯誤，且在產(chǎn)品庫存管理中擯棄了對圖樣版本的控制。
龐巴迪、空客等飛機(jī)制造商在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理中針對零件的管理，也采用與波音公司類似的全三維表達(dá)方式。但考慮到目前各類工廠在生產(chǎn)裝配和安裝、以及制造檢驗(yàn)管理中全面實(shí)施全三維管理存在的困難，保留了安裝和裝配的二維圖樣，保證從傳統(tǒng)的模塊化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理向全三維模塊化管理的平滑過渡。
1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀
國內(nèi)民用飛機(jī)項(xiàng)目中，ARJ21-700等飛機(jī)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)仍采用傳統(tǒng)的基于結(jié)構(gòu)樹的管理方式，并以圖樣版次表達(dá)不同零組件的構(gòu)型，由于該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的圖樣層次嵌套較深，很難將較穩(wěn)定的產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行分離并優(yōu)先安排生產(chǎn)。同時(shí)，二維與三維并行在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中存在，導(dǎo)致部分圖樣更改信息可能存在不完全同步等困難。單架次飛機(jī)的構(gòu)型狀態(tài)，也必須通過圖樣編號和版次層層進(jìn)行過濾和篩選，不利于小批量、多構(gòu)型的配置型生產(chǎn)和更改，以及項(xiàng)目進(jìn)度安排和經(jīng)費(fèi)管理。
國內(nèi)20世紀(jì)90年代中后期在接受波音、空客公司等轉(zhuǎn)包生產(chǎn)中，接觸到了模塊化的思想和操作實(shí)踐，并在中歐合作研發(fā)的某小型直升機(jī)項(xiàng)目中逐步采用了傳統(tǒng)的模塊化管理手段。無論是在并行設(shè)計(jì)工程、還是工廠的制造和裝配中均取得了較好的實(shí)踐效果，一定程度上提高了研發(fā)效率，降低了制造成本。
目前，國內(nèi)針對全三維零組件設(shè)計(jì)趨勢已進(jìn)行了一些學(xué)術(shù)研究和應(yīng)用，也轉(zhuǎn)包了部分B787項(xiàng)目的小型工作包。但基于模塊化的全三維產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理在國內(nèi)飛機(jī)領(lǐng)域，作為一種成熟、實(shí)用的工業(yè)化方法，尚未形成一套完整、可行的理論和實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)。
2 模塊化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的組織
按照國際主要飛機(jī)制造商的經(jīng)驗(yàn)，模塊化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分解應(yīng)能夠反映工作包和工作分解結(jié)構(gòu)，且符合制造與裝配工藝路線。滿足維修性分析和維護(hù)工作，同時(shí)也能夠?yàn)轫?xiàng)目進(jìn)度安排和成本分析提供較好的分解對象。
2.1 組織形式
以某一民用噴氣式飛機(jī)（型號U01-8）為例，提出一種符合以上要求的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組織形式，如圖1所示。
圖1 模塊化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組織形式
產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理的兩類節(jié)點(diǎn)分別是：設(shè)計(jì)構(gòu)型項(xiàng)（Design Configuration Item，簡稱DCI）和設(shè)計(jì)模塊(Design Module，簡稱DM)。
設(shè)計(jì)構(gòu)型項(xiàng)(DCI)標(biāo)識為同一型號產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中不變的管理節(jié)點(diǎn)，具體分為兩類。
(1)WP_DCI(Work Package_DCI)：該構(gòu)型項(xiàng)可作為單獨(dú)交付的工作包（該編號與飛機(jī)架次結(jié)合可標(biāo)識為一特定的交付部件）。
(2)WB_DCI(Work Breakdown_DCI)：工作分解構(gòu)型項(xiàng)，一般標(biāo)識為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的裝配、工藝分解或產(chǎn)品維護(hù)層次。
設(shè)計(jì)模塊(DM)產(chǎn)品設(shè)計(jì)構(gòu)型和架次有效性信息，具體分為三類。
(1)DM：一般的、通用的、小型的組件或裝配模塊。
(2)Link_DM：模塊與模塊，大部件或重要組件之間對接的連接模塊。
(3)Install_DM：單獨(dú)交付部件或設(shè)備的安裝模塊。
2.2 分解原則
根據(jù)飛機(jī)研制的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建議模塊分解遵循以下通用原則：
(1)從飛機(jī)各工作包(Work Package)中進(jìn)行模塊分解，確保模塊對工作包的可追溯性，以及與工作分解結(jié)構(gòu)的一致性。
(2)結(jié)合各工作包對全機(jī)性設(shè)備、導(dǎo)管、線束或線纜安裝等進(jìn)行模塊分解。
(3)需要重點(diǎn)控制的重要組件，與其他項(xiàng)目或設(shè)備具有復(fù)雜的接口關(guān)系，或具有高風(fēng)險(xiǎn)特征的項(xiàng)目（如新技術(shù)），及替代該項(xiàng)目的備份項(xiàng)目中進(jìn)行模塊分解。
(4)飛機(jī)各大系統(tǒng)應(yīng)按產(chǎn)品特點(diǎn)及功能關(guān)系對產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行分包并封裝，以提高模塊分解效率及與機(jī)體結(jié)構(gòu)模塊匹配性。
(5)選項(xiàng)安裝時(shí)，被替換或更改的項(xiàng)目也需分解出與選項(xiàng)匹配的模塊。
(6)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件模塊分解還應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)和工藝分離面劃分，使模塊的分解便于工藝及制造使用、重構(gòu)和維修的分析及實(shí)施。
此外，飛機(jī)模塊的劃分還需要考慮到模塊功能獨(dú)立性、大小適中性、數(shù)據(jù)完整性等模塊化通用思想和要求。
3 模塊圖樣數(shù)據(jù)集組成
從簡化構(gòu)型管理控制對象的角度出發(fā)，本文提出圖樣數(shù)據(jù)集應(yīng)該盡量減少需要管理的文檔，以方便零組件及圖樣數(shù)據(jù)集更改控制的實(shí)施。
以U01-8飛機(jī)下某結(jié)構(gòu)模塊為例，其工程數(shù)據(jù)集包含內(nèi)容如圖2所示。
圖2 模塊的組織結(jié)構(gòu)形式
(1)模塊控制編號：模塊的基礎(chǔ)編號（主圖樣編號）。
(2)模塊的構(gòu)型號：模塊主圖樣編號加上單獨(dú)構(gòu)型號，以表達(dá)確定的構(gòu)型。
(3)模塊架次信息：各構(gòu)型的模塊必須具有相應(yīng)的架次信息，用于指導(dǎo)各生產(chǎn)部門或廠商確定該模塊下零組件及圖樣數(shù)據(jù)集的適用性。
(4)圖樣數(shù)據(jù)集：詳細(xì)的工程設(shè)計(jì)信息，不再記錄架次有效性等配置信息。
圖2中圖樣數(shù)據(jù)集信息組成有五條要求：
(1)目前全三維數(shù)模已可完全表達(dá)一個(gè)零組件的工程設(shè)計(jì)和制造信息，這也是航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)手段的發(fā)展趨勢。因此，針對零件僅管理對應(yīng)三維模型，每個(gè)構(gòu)型的零件對應(yīng)一個(gè)三維模型。
(2)模塊采用三維數(shù)模結(jié)合零組件清單(PL表)進(jìn)行表達(dá)，其中三維數(shù)模在數(shù)字化平臺中表達(dá)該模塊的裝配關(guān)系，PL表表達(dá)該構(gòu)型模塊下裝機(jī)的零組件件號及其他三維無法清晰表達(dá)的構(gòu)型信息。
(3)模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)全扁平化管理，所有模塊層次應(yīng)控制在兩層結(jié)構(gòu)，即模塊下直接關(guān)聯(lián)零件，嚴(yán)格控制零件的更改追溯。
(4)從目前裝配與安裝角度出發(fā)，全三維模型仍無法完全取代二維圖樣。因此，為了便于工廠大部件的裝配和安裝，針對Link_DM、InstalI_DM對應(yīng)的頂層連接和安裝模塊允許使用二維圖樣輔助表達(dá)，其他模塊不允許使用。
(5)架次有效性信息僅記錄在模塊配置表中，該配置表作為工程發(fā)放指令的一部分，用于描述不同構(gòu)型模塊的裝機(jī)信息。
各構(gòu)型模塊對應(yīng)一份PL表，其格式可用示例模板表達(dá)，如圖3所示。
圖3 模塊PL表模板示例圖
與傳統(tǒng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)集相比而言，本方案可以極大的減少研制過程中的數(shù)據(jù)控制和管理對象。
4 圖樣數(shù)據(jù)集的更改控制
由于飛機(jī)在研制和批產(chǎn)階段，圖樣數(shù)據(jù)集面臨大量的更改和配置需求，提出一種既有利于設(shè)計(jì)數(shù)模的更改，又有利于工廠制造以及庫存狀態(tài)管理的更改控制算法，具體分為零件和模塊（裝配件）及對應(yīng)數(shù)據(jù)集的更改。
4.1 零件及圖樣集的更改要求
零件因無二維圖樣，信息全部由三維數(shù)模進(jìn)行表達(dá)，三維數(shù)模編號的組成信息如圖4所示。
圖4 零件數(shù)模的編號規(guī)則
零件更改有四條要求：
(1)無已制品（含在制品），零件更改不必?fù)Q件號，三維數(shù)模升版（如版次從A版升為B版）。
(2)存在已制品（含在制品）且更改前后構(gòu)型保持一致（非外形、配合、功能的更改），零件更改不必?fù)Q構(gòu)型號，三維數(shù)模更改直接升版。
(3)存在已制品（含在制品）且允許裝機(jī)，如更改前后構(gòu)型不一致，零件必須換號，同時(shí)生成新構(gòu)型的三維數(shù)模。
(4)零件對應(yīng)的圖樣，最新版本有效，即新版發(fā)布舊版作廢。
零件的構(gòu)型用“主圖樣編號十構(gòu)型號”表達(dá)，其對應(yīng)三維數(shù)模的版次不作為區(qū)分構(gòu)型的依據(jù)，僅表達(dá)該構(gòu)型零件所對應(yīng)圖樣的更改次數(shù)。
4.2 模塊及圖樣集的更改要求
模塊數(shù)據(jù)集包含三維圖樣、PL表、二維圖樣（僅針對連接和安裝模塊），主要組成形式如圖5所示。
圖5 圖樣數(shù)據(jù)集的編號和更改規(guī)則
設(shè)計(jì)模塊一般更改有五點(diǎn)要求：
(1)如模塊下零件換版更改不影響裝配，模塊的三維模型及PL表不必更改。
(2)如模塊下零件換版更改影響裝配，三維模型和對應(yīng)的PL表根據(jù)需要各自獨(dú)立升版更改（因PL表與三維數(shù)模表達(dá)的信息不完全一致）。
(3)模塊下零件換號，增加或刪除零件和標(biāo)準(zhǔn)件，如模塊存在已裝機(jī)構(gòu)型（或已制構(gòu)型并允許裝機(jī)）則必須換號，即對應(yīng)生成新構(gòu)型的三維數(shù)模、二維圖樣、PL表。
(4)模塊下零件換號，增加或刪除零件和標(biāo)準(zhǔn)件，如無任何裝機(jī)和已制構(gòu)型，則組件的三維模型、二維圖樣、PL表必須同時(shí)換版。
(5)具有二維圖樣的Link_DM和Install_DM，二維圖樣作為三維圖樣描述的輔助表達(dá)，更改必須與三維圖樣保持一致版本。
因采用了以零組件件號為中心的管理方法，則零組件構(gòu)型號及對應(yīng)圖樣集的更改判斷規(guī)則，可采用的更改判斷算法，如圖6所示。
圖6 工程更改引起的零組件更改規(guī)則
通過對U01-8飛機(jī)某部件發(fā)圖和更改的模擬驗(yàn)證，表明所提出的產(chǎn)品數(shù)據(jù)更改方式具有較好的可操作性和可控制性，并可極大的提高更改控制的效率。
5 圖樣數(shù)據(jù)集的指令發(fā)放
圖樣數(shù)據(jù)集作為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更改控制對象，其中任何構(gòu)型信息發(fā)生更改，均應(yīng)通過工程指令(Engineering Order，簡稱EO)對更改內(nèi)容進(jìn)行發(fā)布。
模塊及零件圖樣或其他任何構(gòu)型信息的更改，均應(yīng)通過三維模型、二維圖樣（按需）、PL表更改實(shí)現(xiàn)，更改信息應(yīng)以模塊控制編號為單元對各構(gòu)型模塊的更改、簽署進(jìn)行統(tǒng)一的發(fā)放管理。
圖樣數(shù)據(jù)集發(fā)放和更改指令的實(shí)現(xiàn)如圖7所示。
圖7 圖樣數(shù)據(jù)集發(fā)放和更改指令編號格式
圖樣數(shù)據(jù)集的主要更改內(nèi)容應(yīng)在更改發(fā)放EO中描述，主要更改有三條要素。
(1)更改控制編號：描述該更改的輸入源，比如更改控制委員會(CCB)的會議紀(jì)要，工程更改輸入編號等。
(2)更改主要描述：描述每個(gè)模塊下零組件件號及圖樣版本更改前后狀態(tài)，主要更改內(nèi)容，模塊架次有效性變化信息等。
(3)更改發(fā)放要求：因模塊之下的零組件不再單獨(dú)記錄有效性信息，更改發(fā)放必須以模塊為單元進(jìn)行描述。
6 模塊化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理的特點(diǎn)
U01-8飛機(jī)各構(gòu)型模塊可由設(shè)計(jì)優(yōu)化或選項(xiàng)選配產(chǎn)生，因已將有效性直接配置在模塊層級，可大大減少設(shè)計(jì)員的工作量并提高單架次構(gòu)型配置的效率，使設(shè)計(jì)員更好的專注于設(shè)計(jì)工作，提高產(chǎn)品研發(fā)質(zhì)量。
由于大幅減少二維圖樣信息，使數(shù)據(jù)源更加唯一，避免了潛在的二維圖樣和三維信息的不一致，更加方便更改控制和實(shí)施。
模塊對應(yīng)的PL表結(jié)合架次有效性，可以非常簡單直觀的輸出各構(gòu)型模塊的裝機(jī)狀態(tài)，及所對應(yīng)的圖樣集。由于其規(guī)則簡單，便于數(shù)字化系統(tǒng)平臺的開發(fā)和推廣。
本方案從整個(gè)產(chǎn)品研發(fā)和項(xiàng)目管理的角度來看，能提高企業(yè)整體的研發(fā)和管理效率，為產(chǎn)品迅速推向市場和滿足客戶需求提供有力保證。
7 結(jié)論
結(jié)合模塊化思想和全三維設(shè)計(jì)手段，分析了一種基于工作分解結(jié)構(gòu)，滿足設(shè)計(jì)、制造、維修等需求并以零部件件號為中心的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理方案，重點(diǎn)從結(jié)構(gòu)分解形式、數(shù)據(jù)集組成、更改控制方式方面進(jìn)行了分析和研究。
所述方案的有效實(shí)施還有賴于全三維設(shè)計(jì)規(guī)范的跟進(jìn)、PDM管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，是未來數(shù)字化產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的一種發(fā)展方向和趨勢，有望為我國民用飛機(jī)或其他大型復(fù)雜產(chǎn)品的研發(fā)提供技術(shù)參考。
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本文標(biāo)題：基于模塊的飛機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理
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