飞机产品数字化定义技术

飞机产品数字化定义技术 3 Airplane Digital Product Def inition Technology 清华大学 　　吴 　丹 　王先逵 　魏志强 　　[摘要] 　为了建立面向飞机产品全生命周期的数 字化定义的体系结构 ,本文从 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 产品数字化定义的 基本内涵出发 ,建立了产品数字化定义的基本概念 ,提 出了产品数据的五维空间模型 ,定义了产品数字化的 信息模型、组织模型和分布存储模型 ,介绍了有关的基 本理论和技术体系。 关键词 : 产品数字化定义 　全生命周期 　产品数 据 [ ABSTRACT] 　In order to construct the f rame2 work of digital product definition (DPD) for airplane life cycle , the DPD concept has been defined in this paper based on analyzing the DPD connotation. A five dimen2 sional model of product data is presented. The main mo- dels of DPD including information model , organization model and dist ributed storage model are also defined. The basic theory and technical hierarchy are introduced. Keywords : Digital product def inition 　Life cycle Product data 产品数字化定义 (Digital Product Definition ,DPD) 技术是在产品信息建模技术基础上发展起来的、面向 产品数据管理层的应用技术 ,其主要目标是 ,以面向产 品管理层的信息建模为目的 ,以设计、制造等过程中的 应用层建模为基础 ,以数字化过程中的多种 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 为约 束条件 ,以产品结构树为纽带 ,最终实现产品的数字化 定义及其产品数据的管理过程。DPD 技术最初由美 国 Boeing 公司提出 ,并在 Boeing 777 等机型的研制中 得到成功应用[1 ,2 ] 。我国航空工业第一集团公司在预 研项目“异地无纸设计制造技术”中 ,对 DPD 技术进行 了研究 ,开创了国内 DPD 技术研究的先河。此后 ,由 航空工业第一集团公司、清华大学、中科院软件所共同 承担的国家 863/ CIMS 重大关键技术攻关项目“航空 CIMS工程”,在继承上述预研项目成果的基础上 ,对 DPD 技术进行了更为全面和深入的研究 ,实现了结构 件部件级的产品数字化定义。本文着重介绍有关 DPD 的基本理论和技术体系。3 国家 863 高技术项目 (863 - 511 - 930 - 014) 。 1 　DPD 的基本内涵 1. 1 　DPD 的基本概念 产品数字化定义面向从设计、分析、制造、装配到 维护、销售、服务等产品全生命周期的各个环节 ,用于 描述和定义产品全生命周期的数字化过程中所应包含 的信息以及这些信息之间的相互关联关系 ,并使其成 为计算机中可实现、可管理和可使用的信息[2～4 ] 。 DPD 的概念具有以下特点 : (1) DPD 描述和定义的信息应该满足产品全生命 周期的数字化信息需求 ; (2) DPD 不仅需要对产品全生命周期中的信息进 行合理有效的描述 ,更重要的是描述和定义这些数字 化信息之间的相互关系。因为产品信息之间的关系描 述直接影响信息的存储、检索查询和使用效率 ; (3) DPD 描述和定义的信息及信息关联关系必须 可以在计算机中存储、管理和使用。 1. 2 　DPD 的数据空间模型 DPD 的数据空间模型是一个由生命周期维、产品 结构层次维、数据类型维、版本维、控制位置维组成的 五维空间模型 ,如图 1 所示。空间模型的每一个侧面 描述产品数字化定义的不同阶段、不同层次、不同数据 类型、不同版本和不同位置的产品信息以及信息之间 图 1 　产品数字定义的数据空间模型结构 Fig. 1 　Data space model st ructure of digital product definition 12 航空产品数字化设计与制造 航空制造技术 的关联关系。 (1)生命周期维。 生命周期维主要描述和定义产品从设计、分析、工 艺设计到制造、装配、维护等产品全生命周期中不同阶 段的产品数字化定义所应包含的信息以及信息之间的 关联关系。 (2)产品结构层次维。 产品结构层次维是以产品结构树为基础 ,用层次 化建模方法描述 DPD 的框架结构。在零件层 ,主要是 建立每个零件的总体信息、管理特征、材料特性、表面 要求、特征信息、特征之间的尺寸和位置公差信息等零 件层模型。根据产品结构特征 ,逐步形成组件层、部件 层和产品层数据 ,从而建立完整的产品数据。 (3)数据类型维。 数据类型维描述 DPD 的数据类型。结构化数据 是指可以以一定的数据结构对 DPD 数据进行表达和 存储的数据类型 ,这类数据以数据 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 的形式进行表 达 ,并存储在数据库中 ,例如 ,产品及其零部件的名称、 代号、设计日期、类型等信息 ;非结构化数据是指所描 述的数据具有整体性和关联性 ,必须以特定的文件格 式存储在计算机中 ,如产品的二维/ 三维 CAD 模型、 CAE 分析报告、工艺文件、NC 程序等。在非结构化数 据中 ,按数据内容分 ,又包括描述几何信息和非几何信 息的数据。 (4)版本维。 DPD 中版本维主要描述和定义产品生命周期中 各种类型的产品数据及其过程数据的版本以及版本的 演变历程。版本反映了产品的整个开发过程、开发历 程的追溯、开发过程中各开发阶段的多 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 比较以及 多方案选择等数据信息。 (5)控制位置维。 在多厂所联合型号研制中 ,产品数据分布在地理 位置不同的多个地点 ,并分别由这些位置所控制。因 此 ,DPD 的控制位置维主要描述产品数据的控制位 置。 2 　产品数字化的信息模型 2. 1 　DPD 规范 飞机产品的研制是一个庞大而复杂的系统工程 , 因此 ,需要完整、协调、合理、一致、配套的规范及标准 体系作为支持。建立统一的 DPD 规范 ,对于异地分布 环境下的协同设计制造起着至关重要的作用。 2. 1. 1 　产品几何建模规范 (1)建模手册。 建立产品几何建模手册的目的在于实现建模规范 化 ,使异地协同设计过程中设计人员之间可以相互准 确地理解设计意图 ,方便快捷地调用、预装配产品及其 零部件模型 ,其主要内容包括层的划分 ,颜色的使用 , 线型的设置 ,锻件、铸件、焊接件、钣金件的画法等。 (2)制图规范。 制图规范是不同 CAD 软件之间相互转换的基础 , 主要用于规范计算机建模过程中所用到的各种符号、 代号、计量单位和标记方法等。 (3)坐标系定义。 应用坐标系可以方便地确定各零部组件之间的相 互对应关系 ,便于飞机的虚拟装配和电子协调。坐标 系定义规定了飞机主坐标系的位置和方向以及使用子 坐标系时应注意的事项和转化要求。 (4)模型规范化检查。 模型规范化检查主要是帮助设计人员检查产品模 型的规范性、完整性、可靠性和一致性。其中 ,规范性 检查确定产品模型是否满足所要求的统一的规范和标 准 ;完整性检查确定产品模型是否包括了所要求的信 息 ;可靠性检查确定产品模型的几何特性是否稳定可 靠 ;一致性检查确定产品模型在引用其他信息时是否 与相应的信息保持一致。模型规范化检查可通过具体 的软件来自动实现 ,并输出检查报告。 2. 1. 2 　电子文档定义规范 在飞机产品全生命周期数字化定义过程中 ,会产 生大量的不同类型、不同性质的电子文档。电子文档 定义规范就是要对各种文档的内容及其结构化管理信 息进行统一的规定。 文档内容的定义规范主要是根据文档所要反映的 技术内容、数据特点和定义工具来综合确定文档描述 信息的格式。 文档管理信息定义规范给出了文档的类型、技术 状态、版本、密级、控制位置等结构化管理信息定义的 有关规则 ,从而实现各类文档有效的组织、存储、版本 管理和安全控制 ,便于文档的快速检索和查询 ,保证授 权用户能快速获取所需文档。 2. 1. 3 产品数据编码规范 产品数据编码规范规定了与产品有关的所有数据 对象的编码原则。对于每一类产品数据对象 ,产品信 息编码采用分类码和标识码相结合的编码规则 ,其中 分类码的作用是根据确定的概念对各对象及其特定属 性进行归类 ,而标识码的作用是明确无二义地标识一 个实例化对象。这种编码方法能够满足编码对象生命 周期中所涉及的各个环节对编码的需求。 2 . 2 　可重用知识模型 和一般产品开发过程一样 ,飞机产品的研制也是 22 航空产品数字化设计与制造 2001 年第 4 期 一个继承和创造相结合的过程。一方面产品研制要继 承和重用以前的知识模型 ,另一方面又要根据新机研 制的具体要求进行创新性研究工作。可重用知识模型 定义确定了各种可重用模型的定义原则和应用方法。 以下给出几种常用可重用知识模型。 (1)参数化特征模型。 由于飞机设计本身的特点 ,有些特征体在飞机设 计中应用非常频繁 ,因此在具体 CAD 应用系统的基础 上 ,通过提取、分析、归纳、整理特征模型 ,使特征模型 参数化 ,从而形成规范化的参数化特征模型。在此基 础上 ,建立相应的参数化特征模型数据库和设计系统 , 以支持零件的三维数字化模型的快速建立。 (2)标准件模型。 在飞机行业中标准件种类繁多 ,除了一般机械通 用的螺钉、螺母等标准件外还有大量的行业标准件 ,因 此 ,要以国标、部标和行标为依据 ,对各种标准件模型 进行定义 ,并制订统一的建库、检索和调用方法。 (3)参数化典型零件模型。 飞机产品的部分零件具有相似性 ,因此 ,进行新产 品零件设计时可以重用以前的零件或仅做少量修改。 对这些相似零件进行参数化定义可以显著提高典型零 件模型的可重用、可重构和可扩展性 ,从而提高设计效 率。 (4)典型工艺模型。 飞机产品中某些零件的形状和结构具有相似性 , 这些零件的工艺也具有相似性。建立这些相似零件的 典型工艺 ,可以规范零件工艺设计结果 ,提高工艺设计 效率。 2. 3 　DPD 的对象模型 面向对象的方法是指按应用域的观点对信息进行 描述、存储和使用。采用面向对象的方法进行产品全 生命周期的数字化产品定义 ,可以清楚地表述抽象的 概念及其关系属性。图 2 给出了 DPD 的对象组成 ,其 中产品主对象是 DPD 的基础和主控对象 ,其他对象是 图 2 　DPD 数据对象组成结构 Fig. 2 　Constitution structure of DPD data object 依附产品主对象的子对象。 (1)产品主对象。 产品主对象描述面向产品组成的企业协作的主特 征信息 ,如产品的名称、代号、主研制单位名称 ;主研制 单位的节点信息 ,包括主控服务器的 IP 地址等信息 ; 协作企业的组成信息 ,如异地分布式企业的各企业级 节点服务器 IP 地址等。 (2)产品构型对象。 产品构型对象主要用于产品的组成结构定义。对 于不同的应用领域 ,按照相应的构型规则 ,可以形成结 构各异的产品结构配置。对产品生命周期中的不同阶 段 ,可以从产品构型对象中派生出不同 BOM 视图。 (3)产品数据实体对象。 产品数据实体对象描述组成产品的零部件的基本 组成信息 ,数据实体对象包括部件实体对象、零件实体 对象和特征实体对象等。数据实体对象是产品 DPD 数据的基本载体单元。 (4)数据集对象。 数据集对象包括结构化数据集子对象和非结构化 数据集子对象。结构化数据集子对象描述 DPD 中的 零部件的结构化信息 ,非结构化数据集子模型描述产 品零部组件的非结构化信息。 (5)流程对象。 流程对象用来描述和定义产品全生命周期中的工 程更改、工程发放、评审等过程 ,通过该对象控制和监 控工作过程。 (6)版本对象。 版本对象描述和定义产品数据管理中的数据版本 变化 ,如设计文档版本、工程更改版本等。通过 DPD 的版本子对象可以详细记录设计、加工过程中的原始 数据及相应的更改信息 ,用不同的版本描述当前的有 效数据 ,确保正确的人在正确的地方获得正确的数据。 (7)文档对象。 文档对象所定义和描述的文档是一种广义的文 档 ,包括产品整个生命周期中与产品有关的所有非结 构化数据。 (8)工程更改对象。 工程更改 ( EC)指出一种方法 ,借助这种方法就能 将产品定义的数据收集打包发放到制造部门 ,可以利 用 EC 来初步发放产品数据 ,也可以利用 EC 来提供一 些打包的方法和对前面发放的产品数据进行后续更改 的通信方法。 (9)文件夹对象。 文件夹对象主要用于将产品数据按一定方式组织 为一个数据集 ,并将数据集作为一个整体的数据对象 32 航空产品数字化设计与制造 航空制造技术 进行传递和使用。文件夹对象可以由异构的数据类型 组成。 3 　产品数字化的组织模型 飞机产品全生命周期数字化过程中产生大量数 据 ,合理有效地组织数据 ,将极大地缩短检索、查询过 程 ,使用户能快速获得所需数据。为了有效地组织数 据 ,本文提出并采用了虚拟 Item 和虚拟 BOM 的概念。 虚拟 Item 是指该 Item 所表示的信息并不代表某 一具体的产品零部件、原材料、物理文档等数据实体 , 而只是研制过程中某一阶段、某一产品数据片段的信 息载体。通过虚拟 Item ,可以以合适的数据粒度表示 特定阶段、特定对象的产品数据片段。 建立虚拟 BOM 的主要目的是借助于产品结构树 的概念 ,对虚拟 Item 进行组合 ,实现面向飞机研制全 生命周期的产品数据组织。 3 . 1 　以产品对象为核心的组织模型 产品数字化过程中 ,产品、部件和零件都可以抽象 为产品对象 ,与产品相关的数据文档可以封装为数据 对象。以产品对象为核心的组织模型就是以产品对象 所形成的产品结构树为核心来组织数据 ,将数据对象 和产品对象相关联而形成的。 由于飞机产品的复杂性 ,与产品对象关联的数据 对象往往非常多。如果把这些繁多的数据对象一律作 为引用文档与产品对象相联系 ,势必会影响用户检索 查询数据的效率。为此 ,在对与某一产品对象相关的 所有数据对象分类之后 ,将每类数据对象构造为虚拟 Item ,并把它作为产品对象的子对象 ,建立两者之间的 关系 ,如图 3 所示。图中分别设计了两个虚拟的 Item 对象 ( Item 001 和 Item 002) 作为最小粒度 ,分别将零 件 1 的载荷分析数据和强度分析数据组织在一起。 图 3 　以产品对象为核心的组织模型结构 Fig. 3 　Organization model st ructure taking product object as the kernel 以产品对象为核心的组织模型能把与产品对象相 关的所有数据都组织在一起 ,易于理解和使用 ,而且将 企业大量的数据管理归结为对产品对象的管理 ,降低 了管理复杂度。 3 . 2 　以产品研制阶段划分为核心的组织模型 飞机产品的研制是一个多厂所联合的复杂过程 , 包括设计、分析、工艺准备、制造、装配、维护等多个阶 段 ,因此为了提供某一阶段的产品完整数据 ,需要将产 品数据按照研制的不同阶段来组织。以研制阶段划分 为核心的产品数据组织同样也采用基于虚拟 Item 和 虚拟 BOM 的数据组织方法。图 4 是以研制阶段划分 为核心的组织模型结构示意图。 图 4 　以研制阶段划分为核心的组织模型结构 Fig. 4 　Organization model st ructure taking the development stage division as the kernel 3 . 3 　产品数据组织模型的关联 隶属于某一产品对象的数据 ,由于其产生阶段的 不同 ,同时又隶属于产品研制的不同阶段。因此 ,以产 品对象为核心的数据组织模型和以产品研制阶段为核 心的数据组织模型之间是相互关联的。对照图 3 和图 4 的组织模型结构可以看出 ,图 4 中表示零件 1 的载 荷分析和强度分析数据集的两个虚拟 Item ,同时也是 图 3 结构中零件 1 的子 Item。 实现面向飞机研制全生命周期和面向产品对象的 产品数据组织模型的柔性重构 ,关键是对 Item 对象的 规范化编码。这样 ,在产品数据的检索查询过程中 ,既 可以通过研制阶段的划分来查找相应的产品数据 ,也 可以通过产品结构树中的产品零部件组成结构查询到 相应的产品数据。 4 　产品数字化的存储模型 4 . 1 　产品数据的存储需求 在飞机产品多厂所联合研制中 ,产品的生产经营 活动由多企业协作完成 ,完整的产品数据被存储在不 同企业的产品数据库中。因此 ,产品数据存储应保证 物理上的分布性、逻辑上的一致性和数据存储的冗余 性的需求。产品数据物理上的分布性是指产品数据集 分别存放在计算机网络的不同节点 (即不同企业) 上的 产品数据库中 ;逻辑上的一致性是指通过某种逻辑关 系 ,可以将各节点产品数据库中的产品数据组合起来 , 42 航空产品数字化设计与制造 2001 年第 4 期 形成完整的产品数据模型 ;存储的冗余性是指考虑系 统可靠性、通信费用、系统效率以及其他特殊需要 ,同 一产品数据应以副本的方式被分别存储在多个企业节 点中。 4 . 2 　产品数据存储模型 产品数字化的数据存储模型采用自顶向下的三层 模式结构 ,即产品数据全局模式、产品数据片段模式和 数据分配模式。 产品数据全局模式主要对产品数据、产品全局数 据目录等完整的产品数据进行定义 ,它是一个虚拟的 逻辑层和全局用户视图层。 产品数据片段模式主要对完整的产品数据按一定 的约束关系划分为若干个产品数据片段。这里的约束 关系主要是指协作中不同的企业因分工的不同而产生 的对产品数据的应用需求。划分是对完整产品数据的 一种分片操作。在进行产品数据划分过程中 ,必须遵 循两个规则 ,即完整性和重构性 ,完整性是指全部产品 数据必须存储映射到某一企业的产品数据库中 ;重构 性是指对于一个完整的产品数据模型 ,必须可以由它 所划分的产品数据片段进行重构。 产品数据分配模式对产品数据片段按一定的冗余 度和指定的冗余存储模式 ,分别存储在不同节点企业 的产品数据库中。冗余度的确定主要考虑通信成本、 通信效率以及必要的冗余需求 ,如产品零部件名称、代 号、组成关系等产品数据 ,在各个节点必须存在一定的 冗余度。 在这种分布式存储模型中 ,首先应定义完整的产 品数据模型及全局产品数据目录 ,然后进行产品数据 的片段划分 ,最后 ,将划分后的产品数据片段按一定的 约束条件 ,分配存储到不同的企业节点上。 图 5 表示了一个产品数据分布式存储模型的 3 种 图 5 　产品数据分布存储模式间的关系 Fig. 5 　Relationship among the storage models of product data dist ribution 模式关系示意图。图中一个完整的产品数据被划分为 5 个产品数据片段 ,而这些数据片段又被冗余地分配 在 3 个不同的企业产品数据库节点上。节点 1 分配到 的是产品数据片段 1、2 和 4 ,节点 2 分配到的是产品数 据片段 3 和 4 ,节点 3 分配到的是产品数据片段 2 和 5。其中 ,产品数据片段 2 被冗余地存储在节点 1 和节 点 3 上。 5 　结束语 产品数字化定义技术是实现飞机数字化研制的关 键使能技术。随着 DPD 技术在飞机整机级中的扩展 应用 ,它将不断完善和扩展 ,最终形成完整的飞机产品 数字化定义技术体系和具体应用方法 ,从而大大缩短 飞机产品研制周期 ,提高产品质量 ,提升我国航空工业 的整体研制水平。 参 考 文 献 1 　Glende , Wolf L . 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