1 引言

    進入二十一世紀以來，數字樣機技術在航空航天及其它工程領域的應用迅猛發展，驅使傳統復雜產品研發進入一個新的發展領域。國內尤其在航空工業領域，數字樣機技術的發展和應用日趨成熟，在多個飛機型號的產品研制中，已成功應用數字樣機取代傳統實物樣機，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的產品數據管理技術、多學科協同設計技術等數字化產品研制新技術在航天工業領域的廣泛應用，航天產品數字樣機的發展初見端倪，但對于其概念理解尚未統一；除此以外，航天產品數字樣機的研究和應用也主要局限于結構產品，無法滿足航天產品復雜大系統研制的需要。

    隨著計算機建模技術、計算機仿真分析技術、網絡技術、并行協同技術等的不斷發展，數字化技術在航天產品工程領域的應用陸續展開。近年來，各航天院所陸續開展了基于三維模型的結構設計、仿真分析、虛擬裝配驗證等設計制造工作，數字化技術在航天型號產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

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

    2)協同性差

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

    3)缺乏管控措施

    產品各研制單位基于PDM系統進行產品數據管理，主要側重于產品技術狀態管理，具體內容多為產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，作為產品技術狀態描述載體，尚未將數字模型技術狀態管理納入產品數據管理的范疇，使得數字樣機質量難以的保證。隨著數字化產品設計、驗證、制造技術的深入應用，數字化技術在產品設計、制造、售后保障等全壽命周期中的應用日趨增多，有必要將數字模型作為產品數據的一部分加以規范管理。

    航天工業領域對數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字化技術應用水平、實際產品特點和企業管理模式影響，存在一定的差異，尚未形成統一標準，這也使得相較于領先的數字化技術應用水平，對于數字樣機的技術狀態管理模式相對落后，進而造成跨單位、跨專業的基于數字樣機的產品研制工作難以開展。

    本文以運載器產品研制為對象，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，結合系統工程研制方法，開展運載器數字樣機定義和分類研究。本研究充分考慮航天產品的共性特點，具備航天工業領域內的可推廣性。

    2 航天產品數字樣機應用模式

    應用數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，構建數字化條件下的產品模型，該模型反映與實際產品一致的構造、功能和性能信息，基于該數字化模型，在產品設計初期開展必要的設計驗證，發現設計缺陷，優化設計方案，從而保證設計質量，減少設計周期；第二，將傳統設計模式下，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。

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

    從該“V”字模型理解，航天產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，前者是指依據用戶要求，進行產品方案設計，并按照“總體一系統一分系統一單機”的“自頂向下”的過程進行產品技術指標分解和下發，各級參研單位將上游下發的技術指標要求作為設計工作的輸入和依據，開展研制工作；后者是指在下游參研單位確保其設計結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果，進行產品集成驗證及設計優化。

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

   3 航天產品數字樣機定義

    國內各行業對于數字樣機的理解和定義受產品屬性約束，具有較大差異。航空行業標準(HB7757—2005飛機數字樣機通用要求》中給出的數字樣機定義為：“產品整機或系統等數字化描述。面向產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機械產品數字樣機通用要求》中給出如下機械產品數字樣機定義：“對機械產品整機或具有獨立功能的子系統的數字化描述，這種描述不僅反映了產品的幾何屬性，還至少在某一領域反映了產品的功能和性能特性。產品的數字樣機形成與產品設計階段，可應用于產品全生命周期，這包括：工程設計、制造、裝配、檢驗、銷售、使用、售后、回收等環節；數字樣機在功能上可以實現產品干涉檢查、運動分析、性能模擬、加工制造模擬、培訓宣傳和維修規劃等方面。”

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

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

    航天產品數字樣機是指應用數字化方法和工具，對航天產品整機、分系統或單機產品加以數字化描述并建模而形成的數字化模型的集合。數字樣機應反映產品的構造、功能和性能等全屬性特性，其具體表現形式包括具有直觀可視性的二維或三維產品仿真模型，也包括抽象的數學模型，其應用面向從概念設計到售后服務的產品全生命周期，包括產品可行性分析、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。

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

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

    4 航天產品數字樣機分類

    按照航天產品數字樣機構建的目的、構成要素的差異，分為功能樣機、性能樣機和構造樣機，其各自的含義如下：

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

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

    3)構造樣機：面向物理樣機生產的產品數字化定義，構造樣機的構建即產品(Digital Product Definition，DPD)過程。完整的構造樣機應包含反映真實產品結構的全構造要素，包括零部件的幾何參數、精度參數、材料參數、管理參數、工藝參數等；整機或組件的裝配參數、部件相對位置關系、裝配精度、裝配方法等。構造樣機的構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，則該階段可不進行構造樣機的構建和應用。

    按照航天產品的研制階段分類，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”的本質是產品成熟度的概念。在各階段樣機(各級樣機)中，又包括功能樣機、性能樣機和構造樣機，結合圖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建的先后順序和內容，自底向上分別對應功能樣機、性能樣機、構造樣機和物理樣機。

    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，其分級本質上是產品設計成熟度的不斷完善，設計指標的不斷優化，系統成熟度的不斷提升；對于構造樣機，其分級定義面向物理樣機的生產，并產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，則該階段內不進行構造樣機的構建。

    功能、性能和構造樣機的構建和應用為串聯關系：功能樣機應用于產品的設計和功能驗證，解決產品“從無到有”的問題；性能樣機在產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；構造樣機用于將設計參數轉化為可用于指導實物生產的制造信息。對于不同研制階段的數字樣機而言，其構造樣機的構建目的、構成要素和構建過程是一樣的，只是對應生產的物理樣機有所差異；而功能樣機和性能樣機在構成要素上存在較大差異，因為各階段研制任務和內容有較大差異。

    如圖2中所示，當某一階段生產的物理樣機設計指標滿足要求后，即可進行設計轉階段，進行下一階段產品的設計。需要指出的是，物理樣機生產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逐步被功能、性能樣機所取代，也就是說，如果數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。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果與物理樣機相同，則可以取消該階段構造樣機的構建(也就是取消了該階段物理樣機的生產)，直接將其作為轉階段的依據。

    本文認為，航天產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，依據具體的產品特點(階段劃分、各階段工作內容和指標要求等)進行適當改進即可。

    5 定義及分類方案應用

    航天產品數字樣機在建模和管理過程中，首先依據產品研制階段、數字樣機構建目的、功能參數輸入、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品制造的數字樣機為三級構造樣機。以該階段工作要求、該樣機的技術指標要求為依據，確定模型的構建要求、步驟和驗收指標等。

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

    由于在數字樣機的構建之前，便以定義和分類的方式對其應用目的、工作內容和驗收指標進行了“量化”，使得后續工作“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，有助于提高協同研制效率。

    6 總結

    航天產品數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字化技術開展產品設計制造工作，但對于數字樣機的理解，尤其在基于數字樣機的協同方面，存在較大的差異，這也嚴重制約了數字樣機技術的深入應用和推廣。本文以運載器產品為對象，結合航天產品基于系統工程的研制模式和特點，提出一種運載器產品數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；按照數字樣機應用目的分為功能、性能和構造樣機。簡要介紹了本方案在航天產品數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品開發的共性，具有較高的適用性和可行性。