基于SYSWARE的飛行器總體集成設計平臺 ——多專業協同，正向研發設計
飛行器總體設計是一項“高精尖”的復雜系統工程，包括總體、分系統和部件多個層次，涉及到氣動、結構、控制、經濟性等多個學科，需要根據各系統、各學科之間相互聯系、相互制約的關系，進行大量的方案對比，進行多輪從簡至繁的設計循環，最終完成設計過程。飛行器總體設計是飛行器系統研制和應用的“龍頭”，飛行器總體設計水平不僅決定了飛行器系統的整體性能，而且決定了其費效比，是飛行器研制最為基礎、也最為重要的關鍵技術。
目前我們的設計方式還是離散的、孤立的、不系統的，設計過程不規范，工具軟件沒有集成，數據流沒有打通，而且沒有設計規則和方法庫引導各個設計環節的工作，造成設計過程的人工重復性勞動較多，設計過程效率低，設計周期長，費用高，質量卻不高，非常不適應當前任務量密集、研制進度緊迫的任務要求。
一、案例概況
通過飛行器總體設計平臺的建立，可以縮短飛機總體設計的周期，降低設計的復雜程度，提高飛機的設計效率和質量。在確保數據完整的情況下，避免數據的重復，節省系統資源，實現有效的數據管理，使設計工具和設計技術靈活地適應產品研制的不同變化，為設計人員提供方便的設計工具，從而加快新產品的研發速度，提高產品品質，獲取產品的競爭優勢。
該系統具有如下優點：
采用高度集成化的設計工具，實現工作效率的提高；
規范設計流程，提高設計能力；
集成現有分析軟件和工具，實現資源共享；
實現初步設計到詳細設計的數據無縫過渡；
采用數據中心，加強了設計過程與數據、功能模塊與數據之間的關聯性和統一性，打通各專業與數據資源中心的數據關聯。
1. 項目背景
XX研究院是XX的設計研發中心，承擔著我國擁有自主知識產權的XX，以及國家重大專項目和科技工程的設計、試驗、預研及關鍵技術攻關等歷史使命。在過去幾十年的發展歷程中，研發中心也把研發與加強能力建設有機結合起來，實現了可持續發展，并取得了一定的信息化成果。后續研發中心迫切需要從戰略高度，對部門信息化建設進行統一規劃與部署，集中力量建設集成設計信息化統一基礎平臺。
2. 預期目標
總體目標是在高度開放、靈活、可配置和可擴展的平臺框架上，針對飛行器集成設計的特點集成相應設計分析模塊，實現對飛行器總體設計項目流程的管控，數據的集成，知識的共享，減少研制過程中的人工重復勞動，提高工作效率和設計質量，縮短產品研制周期。
二、項目實施
1. 場景特征
飛行器總體集成設計平臺，緊密圍繞總體快速設計的研制主線，集成指標輸入設計，飛行剖面輔助設計、總體參數輔助設計、氣動外形輔助設計、氣動特性快速估算輔助設計、方案彈道設計、發動機輔助設計等六個專業設計模塊，并增加數據中心，打通各專業與數據資源中心的數據關聯，有效解決分布式異構數據的存儲、管理與檢索，實現設計過程中的數據共享。
基于“平臺+APP”模式和工程中間件思想的統一基礎平臺，在統一IT架構下，在總體、氣動、結構、強度等飛行器研發學科領域進行信息化專業系統技術研究和應用推進，面向業務需求，開發通用業務組件和共性功能模塊，與各類專業研究與設計、仿真分析、數據管理和項目管理系統集成，構建支持產品快速設計迭代、綜合集成的、具備自主知識產權的各個專業應用系統，促進研發中心集成化、數字化、協同化的研發體系的形成。
2 模式路徑
SYSWARE平臺目前已集成300多個工業軟件商業版本，同時可以將工業設備數據、工業基礎知識數據以及第三方服務商和供應商接入到平臺，即SYSWARE平臺是一個工業資源匯聚的平臺，平臺對匯聚的資源具有管理和優化的功能，并在此基礎上不斷形成新的技術APP，去支持工業中的研發設計和生產制造，進而服務于具體的工業業務需求，從而實現工業數字化，智能化。
3. 技術實現
（1）技術架構
飛行器總體集成設計平臺技術架構，主要由數據層、工具層、平臺層、應用層等組成，其體系架構如圖5所示。
數據層，管理和存儲飛行器集成設計過程中各模塊產生的輸入、輸出數據，為飛行器集成設計的技術狀態確定和工程研制提供了數據基礎；
工具層，依托SYSWARE工具層，提供飛行器集成設計過程中涉及的各類商用和自研軟件API接口，供集成設計平臺調用，主要包括Matlab、C/C++、ProE、UG、Ansys、Fluent等；
平臺層，SYSWARE平臺層是飛行器集成設計軟件的核心，可以保證各個階段、各個專業模型之間的緊密關聯，實現多學科關聯設計和優化，使飛行器集成設計系統繼承了平臺良好的交互性、開放性、兼容性、可拓展性；
應用層，結合飛行器總體設計的實際研制流程，在SYSWARE平臺上完成工具軟件封裝，并將總體方案快速設計涉及的專業設計和分析工具進行集成，集成封裝組件和可視化控件，輔助飛行器總體設計人員完成飛行器總體設計，快速形成初步的總體設計方案。
圖 5飛行器集成設計平臺體系架構
（2）功能介紹
1）數據中心
飛行器總體設計過程中，各個功能模塊之間會產生設計數據、仿真數據、方案數據以及技術指標等大量數據交互，各個功能模塊之間數據自動交互。
圖 6數據中心功能結構示意圖
與傳統采用PDM、TDM和SDM系統完成數據管理相比，本平臺采用的數據中心加強了設計過程與數據、功能模塊與數據之間的關聯性和統一性，打通各專業與數據資源中心的數據關聯，有效解決了分布式異構數據的存儲、管理與檢索，實現設計過程中的數據共享。
圖 7數據中心可視化展示
2）指標輸入
指標是開展飛行器總體快速設計的依據，指標確定了飛行器射程、精度、系統可靠性等關鍵指標，協同設計平臺首先自動將指標相關參數進行結構化處理，并自動導入。根據指標輸入，開展飛行剖面設計，平臺根據工程經驗給出初步設計參數，并完成助推段航程、滑翔航程以及下壓段航程等飛行剖面初步劃分。
圖 8指標輸入模塊功能
3）氣動外形設計
氣動外形設計，是飛行器總體設計中的重要組成部分，也是評定方案設計優劣的一個重要方面。氣動外形設計模塊，封裝了氣動外形工程設計方法，根據飛行性能指標要求以及已確定的飛行剖面設計結果，完成卡門頭部外形、身部長徑比、飛行器全長、翼展等氣動特征參數設計，氣動、控制、穩定等特性。理論外形確定后，系統可驅動平臺所封裝的三維CAD軟件完成飛行器氣動外形參數化建模（本案例封裝Proe）。
圖 10氣動外形設計模塊功能
4）氣動特性估算
氣動特性估算專業模塊，根據氣動外形設計模塊確定的飛行器氣動外形，完成氣動數據計算以及氣動特性分析。
模塊集成了工程計算程序，可用于飛行器概念設計階段的氣動特性初步估算或是用于對試驗、計算結果的參照和比對。模塊作為專業組件，可以與其他飛行器設計模塊進行組合和關聯，實現數據的自動獲取、求解和反饋。
圖 12氣動特性曲線展示
5）動力系統
動力系統模塊，主要用于完成飛行器助推段火箭發動機的輔助設計，集成了初始技術指標、推進劑選擇、殼體設計、藥型、噴管設計、校核、發動機內彈道計算等功能，可以覆蓋固體發動機全設計過程，模塊內部集成算法為工程部門實際采用的主流設計方法和經驗公式。
圖 13動力系統輔助設計模塊功能演示
6）飛行方案設計
飛行方案設計模塊，主要用于完成飛行器飛行方案的輔助設計，集成了氣動數據導入、初始狀態設置、動力系統設置、飛行指令設置等功能，可覆蓋飛行方案設計全剖面，模塊內部集成的運動學、動力學模型以及龍格庫塔積分方法已經經過實際型號研制部門驗證，飛行方案計算精度可滿足飛行器概要設計階段工程部門研制需求。
4. 項目亮點
（1）實現模塊化智能設計
通過APP實現數據接口的標準化，并可運用組件“搭積木”式地進行設計、建模、仿真、分析和優化，實現設計靈活性和重用性。通過定義各個APP之間的數據流和控制流，逐步形成統一關聯模型，實現設計方案關聯更改，提高設計循環效率，進一步實現多學科優化。
（2）實現資源的集成、共享和挖掘
傳統設計過程的設計結果嚴重依賴個人經驗和水平，需要大量的手工操作。將設計過程所需的基本規范、資源、規則和方法封裝為模板后，在后臺驅動各種軟件完成建模、計算、分析、數據處理等軟件操作過程，減少繁瑣的手工操作，提高工作效率。通過APP的封裝實現知識的積累和重用，降低人員技術門檻。
（3）實現知識驅動的設計
飛行器總體設計系統的各種APP中封裝的是開展飛行器總體設計不同環節的設計知識，通過這些組件的人機交互運行，可以驅動平臺所封裝的工業軟件完成飛行器總體設計與建模，實現了知識驅動的設計。
三、價值成效
1. 平臺價值
（1）智能設計協同設計及流程優化
通過搭建飛行器系統的總體多學科協同設計系統，實現對于飛行器設計流程的有效管理和控制，預計將產生以下積極的效果：
建立任務流程一體化、分工明確、協作有序的研制項目管理系統；
逐級細化、協同編制的WBS分解策略；
項目管理與流程管理的緊密集成；
以數據驅動的設計模式提高團隊協同能力；
明確數據流向的任務數據定義及管理機制。
（2）智能設計
通過搭建飛行器總體集成設計平臺，實現對總體設計過程的有效管理和控制；通過集成化、模塊化設計，減少總體設計過程中的人工重復勞動，實現總體方案的快速設計，提高工作效率；通過多方案對比和多學科優化提高總體方案的設計質量；為飛行器系統的設計奠定堅實的數字化支撐環境，縮短飛行器系統的研制周期。預計將產生以下積極的效果：
建模方式的改進；
提高數據流處理的效率；
實現多專業關聯設計；
實現知識管理；
提高綜合設計的效率。
2. 應用成效
飛行器總體集成設計平臺有效縮短總體方案迭代優化分析周期，提高快速總體方案論證能力，將傳統總體方案迭代優化分析周期的30天縮短到18天以內；集成設計平臺的專業設計工具集成大大提升了總體方案論證及優化設計的自動化水平，解放了總體設計人員的勞動力，提高了設計質量，減少了人為失誤。計算精度誤差小于5%，飛行器集成設計平臺以伊斯坎德爾為設計原型，形成快速總體設計方案與原型設計方案誤差小于3%。
四、其他案例
SYSWARE平臺在不同領域有很多高價值、高通用性的應用案例，例如在機械行業普遍存在的工裝快速設計問題，SYSWARE平臺能夠有效地幫助企業實現數字化工裝快速設計。
數字化工裝快速設計系統基于SYSWARE平臺，與西門子Teamcenter平臺協同，將工裝三維模型、JT文件、圖片、工裝屬性信息、經驗知識等數據有效地管理起來，以便于工裝知識的積累和共享，以及對工裝模型等資源的調用等。系統預期目標主要有以下四點：
沉淀數據
沉淀有價值寶貴數據資源，實現工裝業務知識的共享；
集中管理
集中管理工裝設計數據和工裝設計知識，實現工裝業務流程的規范化；
高效利用
方便用戶查詢并充分利用企業既有的經驗知識和數據；
快速設計
能夠基于現有工裝三維模型、典型工裝，提高工裝設計效率，縮短設計周期。
以設計某工裝模型為例，如上圖所示，傳統設計改工裝模型至少需要12個小時，而利用現在的SYSWARE平臺和工裝快速設計APP，現在只需要2個小時不到，結合工裝設計流程，具體設計任務包括以下幾方面：
1）存在可借鑒的歷史模型；
2）可從四個模型中抽取同樣的組件；
3）需要替換氣缸、角座以及部分標準件共計16個零件；
4）裝配22個螺釘和銷并配打螺紋孔和銷孔；
5）需要刪除增高座等共計5個零件；
6）需要修改模型設計參數5-10個；
7）需要對新模型包括子零件重新命名，約96個，并同步TC。
圖 17工裝模型設計效率對比
上圖詳細對比了設計過程中各個環節所需工時情況，工時數據為用戶實際驗證給出，此簡單工裝設計案例反應出基于SYSWARE平臺定制開發的快速工裝設計APP給企業帶來的較大的應用價值。該項目實施至今已過3年，據用戶反應，以往公司全年的工裝設計任務需要至少20人并且經常加班加點才能完成，而現在只需要5-6個人，很少加班就可以完成，既提高了了工裝設計效率，又壓縮了人力成本，同時統一標準化的工裝模型也保證了產品的設計質量。
五、下一步實施計劃
索為致力于研發連接、驅動工業軟件的工程中間件（類似于工業軟件操作系統），并通過知識組件模型，基于知識自動化的理念，建立了大量工程技術系統，如飛機總體設計、發動機集成設計系統、裝甲車輛總體設計系統、工藝集成研發系統等，實現知識工程化，大幅縮短設計周期和提高設計質量。
索為下一步計劃將注重在工業大數據系統和工業數據建模分析兩個領域的進一步發展，即聚焦于工業數據的清洗、管理、分析、可視化等，以及機器的自動化建模和機器學習。
聲明
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