王 威，耿 瑞，王相平，宋 洋，曹 航，趙 娜，葛長闖

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015）

0 引言

航空發(fā)動機設(shè)計體系是規(guī)范指導和實施渦噴/渦扇/渦槳/渦軸類型航空發(fā)動機設(shè)計活動的技術(shù)系統(tǒng)。設(shè)計體系將規(guī)范發(fā)動機設(shè)計的全部流程，指定（或推薦指定）設(shè)計過程所使用的各類工具和方法，提供各類與設(shè)計活動相關(guān)的數(shù)據(jù)服務(wù)，是航空發(fā)動機設(shè)計經(jīng)驗的總結(jié)歸納和深化結(jié)晶，包括設(shè)計規(guī)范、設(shè)計軟件、工程數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)集成平臺4部分[1-4]，其中系統(tǒng)集成平臺以信息化為載體，可充分發(fā)揮體系要素的指導、參照作用[5-7]。結(jié)構(gòu)強度設(shè)計是航空發(fā)動機設(shè)計、研制過程的重要組成部分，在發(fā)動機整機及零部件的結(jié)構(gòu)強度設(shè)計工作中發(fā)揮重要作用，保證發(fā)動機產(chǎn)品在壽命期內(nèi)達到強度和可靠性設(shè)計要求[8-11]。隨著中國航空工業(yè)的飛速發(fā)展，航空發(fā)動機設(shè)計研制任務(wù)日益繁重[12-14]，整機和部件結(jié)構(gòu)強度設(shè)計工作量也隨之越來越大，但原有強度設(shè)計工作的開展、存儲、管理和轉(zhuǎn)化應(yīng)用的方式過多地依賴于個人技術(shù)經(jīng)驗和技術(shù)傳授這一途徑，不能很好地將強度設(shè)計的各工作流程環(huán)節(jié)和關(guān)鍵要素很好地結(jié)合起來，既缺乏對成熟工作的規(guī)范化指導，又缺少針對特殊工作的靈活轉(zhuǎn)化，已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)階段任務(wù)的需求，不僅影響工作和學習效率，而且不利于知識經(jīng)驗的積累、傳承和運用。

為了彌補上述不足，本文緊密結(jié)合強度設(shè)計體系建設(shè)要求，充分考慮航空發(fā)動機強度設(shè)計相關(guān)專業(yè)技術(shù)需求與現(xiàn)狀，以國內(nèi)外先進仿真平臺為基礎(chǔ)，建立適用于航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)強度的設(shè)計系統(tǒng)[15]，以此平臺為載體，徹底改變現(xiàn)有工作模式和流程，徹底理順和規(guī)范了整個強度設(shè)計過程，實現(xiàn)強度設(shè)計工作規(guī)范性與靈活性的統(tǒng)一。

1 平臺建設(shè)思想提出

針對在強度設(shè)計體系建設(shè)中所出現(xiàn)的設(shè)計工作過程不夠規(guī)范，經(jīng)驗積累不夠系統(tǒng)等問題，提出“流程驅(qū)動，要素集成”的平臺建設(shè)思想，如圖1所示。開展初步方案論證：應(yīng)用3類（成熟、待改進、在研）可動態(tài)擴充的流程模板規(guī)范設(shè)計工作；應(yīng)用檢查清單對設(shè)計精度進行有效控制；應(yīng)用規(guī)范/指導書/文件模板等體系要素指導、約束設(shè)計過程。通過對現(xiàn)有強度設(shè)計規(guī)范與準則的研究，將強度設(shè)計的具體環(huán)節(jié)歸納為十余種典型操作動作，針對特定強度設(shè)計工作的流程模板可以通過操作動作的組合靈活快速地建立、編輯和修改，同時可以根據(jù)具體工作需要，靈活地集成適合的體系要素，具有良好的動態(tài)擴充性，避免設(shè)計流程過于僵化不利于指導某些特定設(shè)計任務(wù)的情況發(fā)生。

2 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

2.1 流程模板的建立與持續(xù)完善

發(fā)動機強度設(shè)計流程體現(xiàn)在航空發(fā)動機整個研制階段，“十一五”期間將全部規(guī)范準則中涉及的典型強度設(shè)計流程歸納、提煉、分解、總結(jié)，形成平臺上可執(zhí)行的標準流程步驟，通過此步驟的組合建立流程模板，并將體系要素嵌入，以達到規(guī)范、指導不同類型強度設(shè)計活動的目的；“十二五”期間為提高工程實用性，對流程模板進一步優(yōu)化與完善，如模板中體系要素的管理與使用，設(shè)計要素與流程的映射關(guān)系的細化如圖2所示。滿足全周期研制活動如多輪次迭代、排故需求的技術(shù)實現(xiàn)等。

圖2 設(shè)計要素與流程的映射關(guān)系

針對以上問題，首先在梳理體系要素基礎(chǔ)上，對流程模板構(gòu)架進行優(yōu)化與重建，其優(yōu)化方案如圖3所示。其中模板涉及的各類要素包括軟件、規(guī)范、指導書、文件模板、檢查清單等，存放在系統(tǒng)的資源庫中，在新模板制作時，通過鏈接模式調(diào)用這些要素，保證數(shù)據(jù)惟一性和可利用性。最終工程上應(yīng)用的流程模板作為系統(tǒng)的核心，達到只要下任務(wù)，指定分析任務(wù)類型，就能確定惟一流程模板，指定惟一規(guī)范、指導書、文件模板和工作流程的目的。通過流程模板控制工作從“計劃、下達以及執(zhí)行和上報”各環(huán)節(jié)準確規(guī)范。

圖3 流程模板建立與優(yōu)化

圖4 流程模板輪次迭代的工程應(yīng)用

其次流程模板中系統(tǒng)完善了用于輪次迭代的操作，如圖4所示。制定相關(guān)執(zhí)行細則，同時又對排故、試驗以及預研項目等工作開展模板定制的技術(shù)研究，基本上保證模板對全周期研制工作的可覆蓋性，獲得的成果均已應(yīng)用到科研工作中。

另外1項重要改進是在流程模板中增加關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)的提取與錄入功能，關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)對未來強度設(shè)計工作具有重要的參考價值，分為結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、載荷參數(shù)和關(guān)鍵結(jié)果參數(shù)。“十二五”期間對關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)進行梳理，并通過流程模板實現(xiàn)在系統(tǒng)中對關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)錄入、查詢及對比的功能，如圖5所示。和完善。截至目前，梳理流程45個，新增指導書85份，檢查清單115份，文件模板47個，補充完善軟件40余個，仿真規(guī)范42份，有效地促進了體系的全面建設(shè)。最終，以強度設(shè)計系統(tǒng)為載體（如圖6所示），集成體系要素，充分發(fā)揮其指導參照作用。

圖5 關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)對比

2.2 以流程為牽引的工作任務(wù)模式實現(xiàn)

在主任/組長下任務(wù)時，只要確定流程模板，也就指定了惟一的規(guī)范、指導書、文件模板和工作流程，設(shè)計人員以流程步驟作為執(zhí)行項，以檢查清單作為檢查項，以指導書、規(guī)范以及參考資料作為指導項（如圖7所示），規(guī)范、準確完成強度設(shè)計任務(wù)的同時，提高工作效率，系統(tǒng)中按工作需要進行相關(guān)工作移交，以適應(yīng)實際工作需求。在設(shè)計人員開展工作的同時，主任/組長同步查看項目進行中的任務(wù)組成、任務(wù)完成和質(zhì)量狀態(tài)，工作流程如圖8所示。

圖6 體系建設(shè)以平臺為載體

圖7 流程為牽引的工作任務(wù)

圖8 強度設(shè)計系統(tǒng)工作流程

強度設(shè)計系統(tǒng)的建立間接促進系統(tǒng)配套要素建設(shè)、平臺建立，并在推行過程中，進一步推動強度設(shè)計體系成果的建設(shè)與分享?！笆濉逼陂g，以流程模板為牽引，對涉及的各類設(shè)計要素進行全面梳理、補充

2.3 強度設(shè)計工程數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

在執(zhí)行任務(wù)過程中，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)直接作為過程數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)庫，按照強度設(shè)計工作需要，基于強度設(shè)計數(shù)據(jù)梳理結(jié)果，系統(tǒng)中設(shè)有強度設(shè)計數(shù)據(jù)庫、故障庫和試驗庫，如圖9所示。將需要管理的數(shù)據(jù)保存在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，可以針對不同的部件及分析流程進行相應(yīng)存儲。

圖9 強度設(shè)計數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

（1）強度設(shè)計數(shù)據(jù)主要包括：原始設(shè)計輸入、幾何模型、有限元網(wǎng)格模型、載荷信息、仿真結(jié)果、關(guān)鍵結(jié)果、分析報告等。針對不同的部件及分析流程，其保存的數(shù)據(jù)可以有差別。

（2）強度排故數(shù)據(jù)主要包括：與排故工作相關(guān)的過程數(shù)據(jù)、故障類型、故障時間以及故障報告等重要信息。

（3）強度試驗數(shù)據(jù)主要包括：與強度試驗相關(guān)的原始數(shù)據(jù)、試驗任務(wù)書以及試驗總結(jié)報告等重要信息。

2.4 強度設(shè)計經(jīng)驗傳承與應(yīng)用

在設(shè)計體系要素補充與完善基礎(chǔ)上，梳理工作過程中存在的問題和解決方案，以及設(shè)計方法和經(jīng)驗，同時也包括部分型號研制過程中積累的重要數(shù)據(jù)。利用強度設(shè)計資源庫，將強度設(shè)計相關(guān)資源進行整合并分類管理，解決了經(jīng)驗數(shù)據(jù)經(jīng)常因人員的變動而流失或因存儲工具的損壞而丟失的問題，方便知識的積累、傳承、借鑒和使用，有利于工作效率的提高，加速人才的培養(yǎng)。在資源庫建設(shè)與使用過程中，隨著強度設(shè)計資源數(shù)量的不斷擴充和類型的不斷增加，資源庫結(jié)構(gòu)也隨之更改以適應(yīng)日常工作需求，如圖10所示。

2.5 可動態(tài)擴展的數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)

通過流程模板的形式驅(qū)動工作任務(wù)的實施，實現(xiàn)“流程驅(qū)動，要素集成”的平臺建設(shè)思想的工程化應(yīng)用。保障了強度設(shè)計的規(guī)范性、系統(tǒng)的靈活性及良好的擴充性，保障了流程、數(shù)據(jù)庫和用戶權(quán)限均可靈活配置。不但滿足型號研制及組織機構(gòu)調(diào)整等需求，也滿足保密工作的要求。主要內(nèi)容如下：

圖10 資源庫規(guī)劃

（1）流程模板可以根據(jù)不同設(shè)計階段不同設(shè)計特點進行快速調(diào)整，可涵蓋發(fā)動機全生命周期強度設(shè)計活動，包括設(shè)計、排故、試驗以及預研工作。同時，新的知識經(jīng)驗也能快速集成在流程中，有利于知識的積累、經(jīng)驗的傳承與應(yīng)用。

（2）數(shù)據(jù)樹初始只有基本框架，在正式使用時，根據(jù)研制型號增加，當有新型號時，可通過類似型號結(jié)構(gòu)快速生產(chǎn)新的型號，既滿足工作需求，也滿足保密要求。為按照強度設(shè)計規(guī)范的9大專業(yè)細化所搭建，以適應(yīng)專業(yè)調(diào)整的需求。

（3）資源庫可以根據(jù)實際使用需求快速擴充和調(diào)整，以適應(yīng)資源數(shù)量的不斷擴充和類型的不斷增加。

（4）系統(tǒng)中的枚舉項都可以根據(jù)需要擴充，不至于因系統(tǒng)僵化而導致需要重新開發(fā)的問題。

在強度設(shè)計系統(tǒng)建立過程中，考慮到強度設(shè)計系統(tǒng)與研發(fā)集成平臺以及其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交換問題，提前開展強度設(shè)計系統(tǒng)與研發(fā)集成平臺集成方案研究，為后續(xù)系統(tǒng)集成提供技術(shù)保障。方案如圖11所示。主要內(nèi)容包括以下5方面：

（1）強度分析任務(wù)發(fā)起。研發(fā)集成平臺將具體強度分析任務(wù)通過2個系統(tǒng)接口發(fā)送至強度設(shè)計系統(tǒng)，然后傳遞任務(wù)說明文件指分析請求單XML，在分析請求單XML文件中，說明輸入數(shù)據(jù)要求、輸出數(shù)據(jù)要求、時間節(jié)點、項目信息等。該分析請求在強度設(shè)計系統(tǒng)中，狀態(tài)顯示為待執(zhí)行。

（2）設(shè)計輸入推送。相關(guān)專業(yè)將設(shè)計輸入分為幾何模型和其他設(shè)計輸入，通過研發(fā)集成平臺推送到強度設(shè)計系統(tǒng)，強度設(shè)計系統(tǒng)后臺創(chuàng)建相應(yīng)類型的幾何模型和其他設(shè)計輸入，并與分析請求關(guān)聯(lián)。

（3）強度分析任務(wù)創(chuàng)建。在強度設(shè)計系統(tǒng)中，室主任或組長判斷任務(wù)所屬數(shù)據(jù)是否完備，數(shù)據(jù)完備后，設(shè)置分析請求狀態(tài)為執(zhí)行中，批量創(chuàng)建強度分析任務(wù)，并分配給相關(guān)設(shè)計人員。強度分析任務(wù)通過與分析請求的關(guān)聯(lián)，找到關(guān)聯(lián)的幾何數(shù)據(jù)和其他設(shè)計輸入。

（4）執(zhí)行任務(wù)。強度設(shè)計人員完成任務(wù)后設(shè)置為完成狀態(tài)，任務(wù)的輸出可選項為任務(wù)的所有過程數(shù)據(jù)，包括報告、模型、結(jié)果等。由設(shè)計人員選定輸出數(shù)據(jù)（可以為多個），該輸出將返回研發(fā)集成平臺。

（5）分析請求閉環(huán)。分析請求的所有任務(wù)完成后，觸發(fā)接口將該分析請求所有任務(wù)的輸出推送到研發(fā)集成平臺，等最后1項任務(wù)完成后，觸發(fā)分析請求的狀態(tài)設(shè)置為完成。

圖11 與研發(fā)集成平臺初步集成方案

3 強度設(shè)計系統(tǒng)推廣與應(yīng)用

歷經(jīng)7年時間，共經(jīng)歷Demo版、2012版、2014版3個版本，搭建開發(fā)、測試、試運行、投入使用4個階段，完成航空發(fā)動機強度設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)與完善工作。針對以上版本開展多輪次軟件功能的測試與完善工作，如2012版166條、2014版112條，測試記錄。其中多次針對某項功能開展多輪次迭代修改。最終建立適合于強度設(shè)計專業(yè)的設(shè)計系統(tǒng)，并將此系統(tǒng)應(yīng)用于型號研制的強度設(shè)計工作中，系統(tǒng)主要功能和特點見表1。

目前，強度設(shè)計系統(tǒng)在各預研項目和型號工作中全面推廣使用，數(shù)據(jù)信息逐步增加，截至2017年底，系統(tǒng)中各數(shù)據(jù)庫建設(shè)情況見表2。數(shù)據(jù)增量情況如圖12所示。

表1 系統(tǒng)主要功能及特點

表2 強度設(shè)計系統(tǒng)使用情況

圖12 強度設(shè)計系統(tǒng)數(shù)據(jù)增量

4 總結(jié)

（1）提出“流程驅(qū)動，要素集成”的航空發(fā)動機強度設(shè)計體系總體思路，建立能夠滿足發(fā)動機全研制周期的強度設(shè)計系統(tǒng)。

（2）提出“流程模板”的技術(shù)概念，將流程步驟、設(shè)計要素、經(jīng)驗等嵌入模板中，通過對模板的管理和調(diào)用，驅(qū)動任務(wù)流程，保證了系統(tǒng)的規(guī)范與靈活。

（3）發(fā)展了設(shè)計過程數(shù)據(jù)譜系化管理和系統(tǒng)動態(tài)擴展技術(shù)，并實現(xiàn)在航空發(fā)動機強度設(shè)計系統(tǒng)中的應(yīng)用。

航空發(fā)動機強度設(shè)計系統(tǒng)是航空發(fā)動機設(shè)計體系的重要組成部分，是發(fā)動機研制經(jīng)驗和教訓的結(jié)晶，反映了行業(yè)目前所能夠達到的技術(shù)和管理水平。通過此系統(tǒng)平臺的建立，強度設(shè)計工作將包括流程驅(qū)動、規(guī)范/指導書參照、清單及各類模板約束、經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫支撐的規(guī)范高效的技術(shù)活動。由此提升了強度設(shè)計工作的技術(shù)水平和管理水平、提高了設(shè)計成功率及工作效率，最終實現(xiàn)結(jié)構(gòu)強度設(shè)計能力穩(wěn)步有序提升的目標。