劉景云 ,劉 軼 ,孫 濤 ,高慧中 ,劉 洋

(1.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司 第705 研究所,陜西 西安,710077;2.海軍裝備部駐北京地區(qū)軍事代表局,北京,100076)

0 引言

在多變的世界格局和緊張的南海局勢(shì)下,我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略發(fā)展對(duì)水中兵器裝備的要求越來越高,型號(hào)研制任務(wù)越來越多樣化,研制周期也需大大縮短。構(gòu)建體系化的設(shè)計(jì)能力、探索新的研發(fā)模式是解決該問題的重要途經(jīng)。

國(guó)外先進(jìn)動(dòng)力研發(fā)機(jī)構(gòu)(如波音、空客及羅羅公司)已建立起數(shù)字化設(shè)計(jì)體系、仿真和試驗(yàn)的工具、流程及方法,具有先進(jìn)的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測(cè)試及運(yùn)維平臺(tái)和產(chǎn)品全生命周期的質(zhì)量管理能力。國(guó)際航空、艦船等動(dòng)力研發(fā)機(jī)構(gòu)為了進(jìn)一步縮短研發(fā)周期、降低研制成本,其研發(fā)體系正朝著數(shù)字化、虛擬化、協(xié)同化和集成化方向發(fā)展。在國(guó)內(nèi),國(guó)有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會(huì)辦公廳于2020年8 月發(fā)布了《關(guān)于加快推進(jìn)國(guó)有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作的通知》,強(qiáng)調(diào)要建設(shè)基礎(chǔ)數(shù)字技術(shù)平臺(tái),加快數(shù)字孿生等前沿技術(shù)研究[1]。

水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)涉及的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)種類多,研發(fā)周期長(zhǎng),且試驗(yàn)成本高。為了滿足水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)快速、持續(xù)、可靠的發(fā)展,同時(shí)降低研發(fā)成本,迫切需要一種先進(jìn)的、符合當(dāng)前型號(hào)研制任務(wù)的、可應(yīng)用于產(chǎn)品研發(fā)生命周期過程的數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái),并從根本上改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)模式,以此大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、降低研發(fā)成本,實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)研發(fā)流程及管理模式的革新,提升自主設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

1 數(shù)字化發(fā)展背景需求和現(xiàn)狀分析

1.1 背景需求分析

當(dāng)前各行業(yè)均面臨著市場(chǎng)需求、行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)、研發(fā)周期和生產(chǎn)成本等諸多挑戰(zhàn),因此進(jìn)行研發(fā)體系升級(jí)和商業(yè)模式轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)企業(yè)降本增效,并提升行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的有效舉措。而數(shù)字化轉(zhuǎn)型是國(guó)內(nèi)外各行業(yè),尤其是工業(yè)領(lǐng)域領(lǐng)軍企業(yè)正在經(jīng)歷的過程,也是未來的發(fā)展趨勢(shì)。

以魚雷為代表的水中兵器在國(guó)際形勢(shì)和海軍需求的背景下,除了新技術(shù)支撐產(chǎn)品的更新?lián)Q代,最重要的是提高產(chǎn)品研發(fā)效率和質(zhì)量,以最短的研制周期來追趕世界一流水中兵器技術(shù),才能在日趨激烈的軍備競(jìng)爭(zhēng)中保留優(yōu)勢(shì)。水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)是涵蓋諸多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)工程,涉及的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)種類多、研發(fā)周期長(zhǎng)、試驗(yàn)成本高,因此亟待研發(fā)模式轉(zhuǎn)型。當(dāng)前水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)體系是傳統(tǒng)的“基于文檔的系統(tǒng)工程”(document-based system engineering,DBSE)體系(見圖1),這種串行模式下,各專業(yè)人員交互少,極易產(chǎn)生周期長(zhǎng)、成本高和效率低等問題。

圖1 基于DBSE 的動(dòng)力組件設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 Flow chart of the DBSE-based power component design

“基于模型的系統(tǒng)工程”(model-based system engineering,MBSE)設(shè)計(jì)體系采用標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)建模語言構(gòu)建貫穿于整個(gè)研發(fā)流程的數(shù)字化模型,實(shí)現(xiàn)了研制過程關(guān)聯(lián)信息的數(shù)字化描述、集成和共享,是提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能,降低研制成本,縮短研制周期,并提高研制效率的重要途徑和手段,其基本流程如圖2 所示。與DBSE 設(shè)計(jì)模式相比,其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在:通過模型可實(shí)現(xiàn)信息可視化和表達(dá)唯一性、完整性和一致性,以及知識(shí)積累沉淀固化后的可重用性;采用并行設(shè)計(jì)模式將設(shè)計(jì)過程中的“大反復(fù)”改為“微循環(huán)”,避免了串行設(shè)計(jì)、試制和驗(yàn)證過程中出現(xiàn)的頻繁更改、反復(fù)迭代等問題。

圖2 MBSE 設(shè)計(jì)基本流程Fig.2 Basic process of MBSE design

國(guó)際系統(tǒng)工程協(xié)會(huì)(international council on systems engineering,INCOSE)發(fā)布的《SE 愿景2020》中定義[2]:MBSE 是建模方法的形式化應(yīng)用,以使建模方法支持系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)等活動(dòng),這些活動(dòng)起始于概念設(shè)計(jì)階段,一直貫穿到設(shè)計(jì)開發(fā)、生產(chǎn)制造以及后續(xù)全生命周期。模型的涵義在于:圍繞不同專業(yè)維度對(duì)研究對(duì)象特性的描述,先通過分解、降維和抽象等方法使復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化、直觀化,再通過不同維度的重構(gòu)使對(duì)象描述更加全面、具體、清晰。如動(dòng)力系統(tǒng)的模型包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三維模型、系統(tǒng)控制的傳遞函數(shù)、力學(xué)的有限元分析,以及流體和傳熱的計(jì)算仿真等不同專業(yè)維度的模型。MBSE 即為采用通用化、標(biāo)準(zhǔn)化和體系化的模型來指導(dǎo)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)等工程實(shí)踐的方法論。以某泵設(shè)計(jì)為例,當(dāng)改變一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù),泵的特性隨之發(fā)生改變,傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程解決途徑是通過性能試驗(yàn)來驗(yàn)證所改變的特性;而MBSE 則是利用模型或數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算或預(yù)測(cè)獲得,其成本和周期必然大幅縮減。

因此,水中兵器數(shù)字化發(fā)展是以需求驅(qū)動(dòng)的研發(fā)模式轉(zhuǎn)型。所述需求即為成本需求(縮短研發(fā)周期,以數(shù)字化模型仿真預(yù)測(cè)評(píng)估代替以實(shí)物樣機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證)和發(fā)展需求(國(guó)際形勢(shì)變化日趨嚴(yán)峻,海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略亟需裝備產(chǎn)品的先進(jìn)性和更新?lián)Q代,行業(yè)內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)激烈)。誠(chéng)然,水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展之路必將是革命性的趨勢(shì),伴隨著難以克服的阻力,需要行業(yè)發(fā)展甚至社會(huì)發(fā)展來牽引。

1.2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

MBSE 的概念在上世紀(jì)80 年代就在軟件工程領(lǐng)域得以應(yīng)用,隨后,統(tǒng)一SYSML 建模語言產(chǎn)生并被集成至MBSE 工具中。2007～2017 年間,MBSE迎來了復(fù)蘇和高速發(fā)展期,并逐步趨于成熟。這體現(xiàn)在國(guó)際領(lǐng)軍企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展中。

美國(guó)國(guó)防部(United States Department of Defense,DoD)自21 世紀(jì)以來便致力于裝備的數(shù)字化轉(zhuǎn)型,現(xiàn)已從產(chǎn)品數(shù)字化(交付數(shù)字化裝備)進(jìn)入過程數(shù)字化(系統(tǒng)全壽命周期數(shù)字化)階段。DoD 于2018 年發(fā)布了《數(shù)字工程戰(zhàn)略》[3],旨在推進(jìn)基于MBSE 的數(shù)字化在裝備全壽命周期管理的應(yīng)用;美海軍信息戰(zhàn)系統(tǒng)司令部于2019 年10 月完成了基于MBSE 的數(shù)字孿生模型的搭建,并計(jì)劃在2020年底前應(yīng)用于林肯號(hào)航母(CVN 72)以提升航母信息戰(zhàn)能力[4]。波音公司通過構(gòu)建集成開發(fā)框架來提供各專業(yè)工程師集成化的需求/架構(gòu)/分析環(huán)境;同時(shí)采用基于集成化的數(shù)據(jù)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)MBSE 方法的集成應(yīng)用,推進(jìn)全新研發(fā)模式轉(zhuǎn)型,覆蓋了從概念、需求到設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的產(chǎn)品全生命周期。其中波音公司的T-7A 教練機(jī)即采用數(shù)字工程方法流程,僅用了3 年就實(shí)現(xiàn)從全新設(shè)計(jì)到驗(yàn)證機(jī)首飛,同時(shí)工程質(zhì)量提高75%,裝配工時(shí)減少80%,軟件開發(fā)和驗(yàn)證時(shí)間縮短50%[5]。洛克希德·馬丁公司為了解決工程師在不同學(xué)科之間采用互相隔離的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”建模模式的局限,提出了“集成化數(shù)字樣機(jī)”的構(gòu)建,以基于MBSE 的系統(tǒng)架構(gòu)模型為核心,將不同專業(yè)通過架構(gòu)模型關(guān)聯(lián),構(gòu)建了業(yè)務(wù)依賴、學(xué)科交織及仿真協(xié)同的“數(shù)字化織錦”。

法國(guó)泰雷茲集團(tuán)從2005 年開始就著手研究基于模型的綜合工程方法ARCADIA,并基于圖形化建模工作臺(tái)開發(fā)出Capella 建模工具[6],為系統(tǒng)、軟件和硬件架構(gòu)師提供豐富的方法指導(dǎo),被廣泛部署在全球所有泰雷茲領(lǐng)域(國(guó)防、航空航天、航天、交通、身份和安全等)的運(yùn)營(yíng)項(xiàng)目中[7]。而作為法國(guó)百年軟件工業(yè)巨頭的達(dá)索公司,其集團(tuán)下的3D體驗(yàn)平臺(tái)(3D Experience)采用建模+仿真的數(shù)字化方式搭建了虛擬與現(xiàn)實(shí)之間的橋梁,通過數(shù)據(jù)共享+PLM 生命周期管理打通研發(fā)部、設(shè)計(jì)部、供應(yīng)鏈和生產(chǎn)部之間的渠道,并成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外航空、汽車以及電子等領(lǐng)域[8]。

此外,航空領(lǐng)域的龍頭企業(yè)空客公司已全面采用MBSE 進(jìn)行飛機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā);羅羅公司基于 INCOSE系統(tǒng)工程手冊(cè)[9]制定了涵蓋需求管理、系統(tǒng)功能分析和系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工程能力框架,且已在型號(hào)項(xiàng)目中得以實(shí)踐和應(yīng)用[10]。在船舶領(lǐng)域,日、韓、美、歐等造船強(qiáng)國(guó)均采用了產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了并行協(xié)同設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。

1.3 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

中國(guó)航空領(lǐng)域在十多年前便開展了MBSE 的應(yīng)用研究和實(shí)踐探索,且多數(shù)院所已逐步建立起數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)建設(shè)方案或架構(gòu)體系。中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)體系流程定義,實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程的任務(wù)管理、流程管理、工具管理、數(shù)據(jù)管理和工程數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè),通過集成化、模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了總體方案的快速設(shè)計(jì)[11]。中國(guó)航發(fā)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司運(yùn)用數(shù)字化方法和工具,完成了數(shù)字化條件下航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造全過程協(xié)同技術(shù)平臺(tái)建設(shè),在提高工藝工裝設(shè)計(jì)效率、縮短航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制周期等方面取得明顯成效[12]。中航工業(yè)西安航空計(jì)算研究所在某型動(dòng)力電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中進(jìn)行了探索[13]。此外,中航工業(yè)飛行自動(dòng)控制研究所、中航工業(yè)集團(tuán)成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所和中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院等單位均對(duì)MBSE 研究與應(yīng)用進(jìn)行了探索和實(shí)踐,并取得了明顯成效。

在航天領(lǐng)域,中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部將 MBSE 方法應(yīng)用于載人飛船交會(huì)對(duì)接任務(wù)中,提高了設(shè)計(jì)效率,改善了人員溝通,并進(jìn)一步降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)[14],同時(shí)通過建立載人航天器的全生命周期模型系統(tǒng)地驗(yàn)證了該方法[15]。中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院將MBSE 方法引入衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)過程,提出了基于模型的衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)方法與流程,采用SYSML 對(duì)衛(wèi)星任務(wù)進(jìn)行建模,驗(yàn)證了MBSE 方法能夠提高設(shè)計(jì)信息的一致性和可追溯性[16]。西安航天動(dòng)力研究所構(gòu)建了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同平臺(tái),提供系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)以及基于軟件工具和自研程序的各組件級(jí)工業(yè)設(shè)計(jì)軟件,并與知識(shí)管理系統(tǒng)和工程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(engineering data management,EDM)集成;按照并行工程理念首次采用基于Pro/E+Intralink 平臺(tái)的三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù),以及基于集成產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)(integrated product team,IPT)的數(shù)字化研制模式,建立了基于三維模型成熟度的 IPT 制度[17],實(shí)現(xiàn)了基于三維模型的設(shè)計(jì)工藝協(xié)同、科研生產(chǎn)全過程的數(shù)據(jù)信息整合和多維度監(jiān)控,提升了型號(hào)研制管控精細(xì)化程度,推進(jìn)了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)模式由“任務(wù)型”向“能力型”轉(zhuǎn)變[18]。

船舶領(lǐng)域數(shù)字化總體發(fā)展點(diǎn)多面廣,且多數(shù)集中在船舶制造領(lǐng)域。在生產(chǎn)制造方面,數(shù)字化可從基礎(chǔ)層面解決設(shè)計(jì)與制造單位、總體與分系統(tǒng)單位之間協(xié)同程度不深,二維圖紙交付環(huán)節(jié)較多,數(shù)據(jù)無法直接傳遞從而影響研制周期,以及質(zhì)量難控制等問題[19-20]。例如,中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司701 所艦船數(shù)字化研究室規(guī)劃應(yīng)用了基于三維數(shù)字化產(chǎn)品定義技術(shù)(model based definition,MBD)的艦船廠所協(xié)同設(shè)計(jì)新模式;廣州廣船國(guó)際股份有限公司、中船黃埔文沖船舶有限公司和中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司708 所均采用了基于達(dá)索系統(tǒng)的三維體驗(yàn)平臺(tái),在企業(yè)設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程與管理、研發(fā)創(chuàng)新能力探索與實(shí)踐等方面跨出了關(guān)鍵一步。在數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)方面,各單位從船舶快速數(shù)字建模入手,對(duì)支持船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)或方法的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究[21],采用自上而下的設(shè)計(jì)思想對(duì)船用柴油機(jī)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究[22],并基于船舶并行協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)理念,構(gòu)建了船舶并行協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺(tái)[23];中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司703 所搭建了一套綜合化、集成化且可持續(xù)發(fā)展的燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)項(xiàng)目流程的管控,同時(shí)產(chǎn)品研制過程中各個(gè)參與方的協(xié)同配合、知識(shí)共享以及數(shù)據(jù)的集成提高了工作效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

從對(duì)國(guó)內(nèi)軍工企業(yè)(尤其是“三航”領(lǐng)域)數(shù)字化發(fā)展現(xiàn)狀的分析結(jié)果可知,雖與國(guó)際化先進(jìn)水平仍有很大差距,但在某些領(lǐng)域已經(jīng)做出了深度探索,取得了可觀的成效,而且奠定了一定的基礎(chǔ)。兵器動(dòng)力和核動(dòng)力領(lǐng)域也有不少數(shù)字化進(jìn)展的報(bào)道[24]。各行業(yè)企業(yè)在虛擬仿真、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和內(nèi)部項(xiàng)目管理等協(xié)同方面有了較大發(fā)展,然而多數(shù)仍處于單點(diǎn)、單線模式,沒有將孤島形成協(xié)同網(wǎng)絡(luò),主要體現(xiàn)在:1) 各設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)等配套單位之間的數(shù)字化協(xié)同研制流程未打通;2) 多學(xué)科、多系統(tǒng)、多維仿真驗(yàn)證體系未建立;3) 基于模型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝、仿真驗(yàn)證和應(yīng)用維保的全生命周期數(shù)字化協(xié)同研制標(biāo)準(zhǔn)體系未建立。以魚雷發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域在數(shù)字化發(fā)展方面基本處于起步階段,僅在多學(xué)科半實(shí)物耦合仿真與建模等基礎(chǔ)應(yīng)用方面進(jìn)行了研究,離走上基于MBSE 的協(xié)同設(shè)計(jì)之路還相差甚遠(yuǎn)。

2 水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展思路

為了滿足發(fā)展需求和形勢(shì)需要,對(duì)水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)品的要求越來越苛刻,產(chǎn)品更新?lián)Q代越來越快,研發(fā)周期越來越短,可靠性要求越來越高。當(dāng)前行業(yè)又存在關(guān)鍵技術(shù)難突破,成熟技術(shù)未固化,設(shè)計(jì)手段落后等問題,這些都阻礙了產(chǎn)品的數(shù)字化快速設(shè)計(jì)。

水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展的目的在于依托MBSE 理念提出數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)架構(gòu),通過構(gòu)建數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式轉(zhuǎn)型,提升自主化設(shè)計(jì)能力,具備“快速、高效、可靠”的產(chǎn)品設(shè)計(jì)體系。因此,通過借鑒國(guó)內(nèi)外行業(yè)數(shù)字化發(fā)展的方向和實(shí)踐,結(jié)合水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀,提出水中兵器動(dòng)力數(shù)字化發(fā)展的主要思路。

2.1 關(guān)鍵能力技術(shù)突破與固化

MBSE 是一種先進(jìn)的理念和思想,數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)研發(fā)是一種新型研發(fā)模式,因此數(shù)字化發(fā)展是基于先進(jìn)理念和模式去解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和制造過程中的某些關(guān)鍵問題,但不可能突破先進(jìn)工藝、材料等基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。而往往阻礙新技術(shù)、新裝備發(fā)展的是某項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)無法突破。拋開關(guān)鍵技術(shù)談數(shù)字化發(fā)展無異于空中樓閣、紙上談兵。此外,在長(zhǎng)期的研究和實(shí)踐應(yīng)用中必然積累了一些成熟技術(shù),如設(shè)計(jì)方法、算法流程和工藝規(guī)范等,數(shù)字化發(fā)展的首要任務(wù)是將設(shè)計(jì)過程中涉及的各專業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的程序、方法和仿真流程進(jìn)行可視化封裝,使一些成熟通用的技術(shù)沉淀、固化下來,形成基于通用模型的知識(shí)組件,避免因人員流動(dòng)、資料丟失等造成技術(shù)無法傳承,從而提高再設(shè)計(jì)效率。

對(duì)于水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)而言,在關(guān)鍵技術(shù)突破方面,需要開展能源動(dòng)力關(guān)鍵部件(如發(fā)動(dòng)機(jī)、減速器和燃料艙等)、新型能源動(dòng)力比能量以及高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械密封等關(guān)鍵技術(shù)研究,掌握多學(xué)科耦合數(shù)值建模與仿真分析方法,為驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)支撐。在成熟技術(shù)固化方面,則需以模型經(jīng)驗(yàn)知識(shí)積累與沉淀為目標(biāo),以設(shè)計(jì)體系的流程、工具和方法三要素為核心,封裝發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料泵和海水泵特性仿真計(jì)算等方法,形成動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)專業(yè)知識(shí)組件,實(shí)現(xiàn)典型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能快速迭代,支撐并完善動(dòng)力系統(tǒng)自主研發(fā)。

2.2 基于模型驅(qū)動(dòng)的協(xié)同設(shè)計(jì)

水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)型號(hào)種類多、難度大,從預(yù)研、立項(xiàng)論證到裝備全過程周期長(zhǎng),隨著各項(xiàng)技術(shù)和需求快速發(fā)展,某些關(guān)鍵技術(shù)或型號(hào)易于更新?lián)Q代,甚至下一代產(chǎn)品從原理、結(jié)構(gòu)到性能幾乎完全不一樣,因此基于原有成熟技術(shù)和模型的快速迭代設(shè)計(jì)將無用武之地。然而一些關(guān)鍵零部件或功能具有通用性的部件(如泵、閥等)的設(shè)計(jì)流程、方法和模型的可延續(xù)性較好,某些通用技術(shù)(如流體計(jì)算、強(qiáng)度校核等)可復(fù)用程度高。

針對(duì)水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)特點(diǎn),結(jié)合水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)體系數(shù)字化水平低、多學(xué)科耦合松散、設(shè)計(jì)流程協(xié)同程度低以及全壽命周期數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)挖掘手段落后等問題,從頂層規(guī)劃制定易于落地的數(shù)字化實(shí)施方案,以某些成熟的典型產(chǎn)品和技術(shù)為試點(diǎn),開展數(shù)字化平臺(tái)框架與接口、體系架構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、專業(yè)資源庫(kù)構(gòu)建、過程數(shù)據(jù)挖掘/數(shù)據(jù)知識(shí)化/知識(shí)工具化以及工具軟件集成與管理等研究。進(jìn)而形成水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)基礎(chǔ)架構(gòu),并與全雷協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)、知識(shí)管理系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(product data management,PDM)和多學(xué)科耦合仿真平臺(tái)等現(xiàn)有或正在建設(shè)的數(shù)字化基礎(chǔ)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)融合,建立基于模型的系統(tǒng)工程數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái),具備參數(shù)優(yōu)化、協(xié)同設(shè)計(jì)、功能仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字化驗(yàn)證及性能評(píng)價(jià)的能力,大幅提高效率,降低成本,提升自主研發(fā)水平和創(chuàng)新能力。

2.3 數(shù)字孿生樣機(jī)

水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)新型產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中迫切需要在方案論證、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)階段,采用數(shù)字孿生技術(shù),建立涵蓋動(dòng)力系統(tǒng)的數(shù)字孿生樣機(jī)或模型,從功能、性能和行為等方面對(duì)動(dòng)力總體、分系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行多學(xué)科、多領(lǐng)域和高逼真度的仿真、測(cè)試和評(píng)估,改進(jìn)設(shè)計(jì)缺陷,減少設(shè)計(jì)迭代周期,提升設(shè)計(jì)效率。

基于MBSE 思想和數(shù)字孿生技術(shù),構(gòu)建水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)品三維數(shù)字模型,實(shí)現(xiàn)真實(shí)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)及使用全壽命周期進(jìn)行評(píng)估、修改和完善。圍繞建立設(shè)計(jì)體系,提升自主研發(fā)能力的基礎(chǔ)目標(biāo),集成通用軟件、專用軟件、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與數(shù)據(jù)庫(kù),構(gòu)建合理、擴(kuò)展性強(qiáng)且關(guān)鍵功能成熟易用的數(shù)字孿生樣機(jī),滿足多學(xué)科耦合、多流程交互的設(shè)計(jì)需求。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)的快速生成與迭代,方案設(shè)計(jì)的高精度仿真,工程設(shè)計(jì)的虛實(shí)結(jié)合評(píng)估驗(yàn)證,并最終實(shí)現(xiàn)基于模型的設(shè)計(jì)與流轉(zhuǎn),全面提高水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)行業(yè)自主設(shè)計(jì)開發(fā)能力,支撐型號(hào)研制,解決現(xiàn)役裝備的技術(shù)基礎(chǔ)問題。

3 水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)是圍繞原動(dòng)機(jī) (包含活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)鉁u輪機(jī)、蒸汽渦輪機(jī)和水反應(yīng)金屬燃料發(fā)動(dòng)機(jī)等多種類) 及燃燒室、泵、閥等輔機(jī)共同構(gòu)建的特種動(dòng)力裝置,產(chǎn)品研制周期長(zhǎng),且每型產(chǎn)品構(gòu)造甚至原理截然不同。這就導(dǎo)致產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程及方法固化非常困難,即使建立起某型整機(jī)的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái),但出于技術(shù)發(fā)展受限或機(jī)型更新迭代的需求,暫不需要對(duì)該型更新迭代的研制需求。因此,對(duì)于水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)來說,不能一味地仿照航空航天動(dòng)力等協(xié)同設(shè)計(jì)的發(fā)展路線,需要結(jié)合自身特點(diǎn),構(gòu)建適應(yīng)于水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)研發(fā)模式。

應(yīng)當(dāng)抓住水中兵器通用技術(shù)和共用結(jié)構(gòu)部件,如海水泵、截止閥和葉輪盤等,對(duì)不同型號(hào)產(chǎn)品普適性較高的部件,化整為零進(jìn)行典型部件的協(xié)同設(shè)計(jì)研發(fā)。并結(jié)合專業(yè)劃分,以專業(yè)建設(shè)為縱向發(fā)展,以結(jié)構(gòu)、流體、燃燒、振動(dòng)和密封等基礎(chǔ)學(xué)科在水中兵器的工程實(shí)際應(yīng)用為牽引,開展協(xié)同設(shè)計(jì)研發(fā)。在水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)過程中,存在著大量跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的協(xié)同設(shè)計(jì)。協(xié)同設(shè)計(jì)過程需要多輪不斷迭代,不同學(xué)科、不同軟件之間存在數(shù)據(jù)交互,不同部門、團(tuán)隊(duì)之間需要大量協(xié)調(diào)。同時(shí),設(shè)計(jì)流程混亂且未固化?；谝陨袭a(chǎn)品設(shè)計(jì)特點(diǎn),需要集成基于數(shù)據(jù)的跨專業(yè)、跨工具的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái),有效地開展并行設(shè)計(jì),并組織和管理項(xiàng)目和數(shù)據(jù)。

構(gòu)建基于MBSE 模式的動(dòng)力數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái),引導(dǎo)科研生產(chǎn)模式由傳統(tǒng)的基于文檔的研發(fā)模式向基于模型的研制模式轉(zhuǎn)型。而要推動(dòng)MBSE 理念的落地,必須借鑒先進(jìn)典型案例,結(jié)合自身指定切實(shí)可行的實(shí)施路線,以數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)為抓手,以型號(hào)研發(fā)為應(yīng)用試點(diǎn),研究流程規(guī)范和設(shè)計(jì)體系。形成工具化、模塊化的知識(shí)組件,打通面向產(chǎn)品研制的設(shè)計(jì)流程,逐漸形成自主、可靠的MBSE 協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)。

3.1 動(dòng)力數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)構(gòu)建技術(shù)

水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)是以各型能源動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)流程為核心,基于統(tǒng)一的IT 架構(gòu)和通用業(yè)務(wù)組件,面向水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)業(yè)務(wù)需求,開發(fā)專用業(yè)務(wù)組件,基于自身業(yè)務(wù)流程與各類專業(yè)設(shè)計(jì)、分析仿真、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和項(xiàng)目管理系統(tǒng)的集成,構(gòu)建支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)快速迭代、工程協(xié)同和綜合集成,且具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。

構(gòu)建面向水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)架構(gòu),在軟件邏輯架構(gòu)、開發(fā)架構(gòu)、運(yùn)行架構(gòu)和功能架構(gòu)基礎(chǔ)上,形成基于協(xié)同設(shè)計(jì)任務(wù)流、控制流和數(shù)據(jù)流的平臺(tái)軟件架構(gòu),實(shí)現(xiàn)包含用戶管理、組織機(jī)構(gòu)管理、功能管理、系統(tǒng)菜單管理、系統(tǒng)參數(shù)管理、角色權(quán)限管理和日志管理等功能。在高度開放、靈活且可擴(kuò)展的平臺(tái)框架上,突破現(xiàn)有研發(fā)模式,針對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)特點(diǎn)開發(fā)相應(yīng)的模塊。實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)動(dòng)力數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證系統(tǒng)所用的商用軟件、非標(biāo)軟件、模型、流程、數(shù)據(jù)以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的統(tǒng)一調(diào)配與管理,同時(shí)實(shí)現(xiàn)知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)及工具模板庫(kù)等信息系統(tǒng)的集成(見圖3),為MBSE 的實(shí)踐應(yīng)用提供基礎(chǔ)方案論證。

圖3 水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)架構(gòu)Fig.3 Collaborative design platform architecture of underwater weapon power system

構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與交互標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)的首要工作,對(duì)專業(yè)內(nèi)及專業(yè)間數(shù)據(jù)交互全過程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè),如數(shù)據(jù)格式和名詞語義的統(tǒng)一。在同一質(zhì)量管理體系和標(biāo)準(zhǔn)化體系下協(xié)同設(shè)計(jì),甚至在同一模型上開展工作,如此能夠使跨專業(yè)學(xué)科或跨部門間基于統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)流交互并行開展工作。同時(shí)可以將設(shè)計(jì)分析和加工制造融合集成,實(shí)現(xiàn)三維可視化模型與二維工程設(shè)計(jì)圖紙及工藝規(guī)程之間的數(shù)據(jù)流融會(huì)貫通。因此以同一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與交互,可為實(shí)現(xiàn)工程數(shù)字化應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2 協(xié)同設(shè)計(jì)流程管理技術(shù)

突破現(xiàn)有“基于文檔”的設(shè)計(jì)模式和研發(fā)框架,為動(dòng)力系統(tǒng)研制過程建立統(tǒng)一的任務(wù)單元模型,將任務(wù)管理與流程管理融合為一體,對(duì)研制過程進(jìn)行全面實(shí)時(shí)監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、分析、工藝和生產(chǎn)任務(wù)的有序管理和資源的合理配置,保證項(xiàng)目狀態(tài)和進(jìn)度的有效控制,并打通設(shè)計(jì)、分析、工藝和生產(chǎn)任務(wù)之間的信息流轉(zhuǎn)通道,使得產(chǎn)品研制過程中各個(gè)參與方能夠協(xié)同配合。

流程管理建立以任務(wù)為核心,以時(shí)間、邏輯、數(shù)據(jù)和消息等多種因素為驅(qū)動(dòng)機(jī)制的協(xié)同流程管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)任務(wù)的自動(dòng)下發(fā)與反饋、動(dòng)態(tài)調(diào)整,以及任務(wù)多種觸發(fā)因素的動(dòng)態(tài)配置,從而提高各專業(yè)應(yīng)用過程中對(duì)任務(wù)的管控效率,加強(qiáng)各專業(yè)協(xié)同工作的能力。流程管理用于系統(tǒng)的任務(wù)關(guān)系及流程關(guān)系定義,核心模塊通過統(tǒng)一任務(wù)模型實(shí)現(xiàn)。

3.3 基于工具集成的設(shè)計(jì)仿真技術(shù)

集成水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)總體、泵閥組件、發(fā)動(dòng)機(jī)組件和減速器組件設(shè)計(jì)流程以及不同專業(yè)學(xué)科的各類設(shè)計(jì)、仿真軟件和自研程序,構(gòu)建面向動(dòng)力系統(tǒng)的專業(yè)軟件包,支持動(dòng)力系統(tǒng)多學(xué)科耦合設(shè)計(jì)與仿真,打通各類設(shè)計(jì)工具軟件之間的數(shù)據(jù)流、控制流,實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科的數(shù)據(jù)流通,提高設(shè)計(jì)循環(huán)效率,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)。

如圖4 所示,通過工具集成設(shè)計(jì)環(huán)境可以把動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的工具、方法和自研程序等進(jìn)行有效的集成和封裝,形成標(biāo)準(zhǔn)化可重用的工程模板,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建面向產(chǎn)品的專業(yè)軟件包和專業(yè)設(shè)計(jì)系統(tǒng),例如渦輪機(jī)三維快速反設(shè)計(jì)專業(yè)系統(tǒng)、各種泵閥設(shè)計(jì)專業(yè)系統(tǒng)等。通過集成化設(shè)計(jì)提高設(shè)計(jì)效率,降低軟件使用門檻,并實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)過程中的知識(shí)捕捉、封裝以及重用,形成知識(shí)工程中的知識(shí)組件,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的可重復(fù)性、可追溯性和可變性。

圖4 模板封裝示意圖Fig.4 Diagram of template package

3.4 專業(yè)資源數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)

數(shù)據(jù)管理主要是對(duì)工程設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)模型、分析模型、分析結(jié)果、試驗(yàn)數(shù)據(jù)及報(bào)告等過程數(shù)據(jù)的管理,以及對(duì)產(chǎn)生這些數(shù)據(jù)的操作和過程的管理,是對(duì)PDM 系統(tǒng)的有效補(bǔ)充。主要包括動(dòng)態(tài)建模、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)查詢對(duì)比分析和數(shù)據(jù)安全等。

針對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生和需要使用的基礎(chǔ)資源類數(shù)據(jù),建立統(tǒng)一的資源數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng),如發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)參數(shù)庫(kù)、結(jié)構(gòu)模型庫(kù)和仿真模型庫(kù)等,使基礎(chǔ)資源類數(shù)據(jù)邏輯架構(gòu)穩(wěn)定、高效,并實(shí)現(xiàn)最大限度的共享和維護(hù)。構(gòu)建項(xiàng)目數(shù)據(jù)過程中心,按照型號(hào)、項(xiàng)目要求,對(duì)各專業(yè)、各階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化組織,各任務(wù)執(zhí)行者可以發(fā)布數(shù)據(jù)到項(xiàng)目數(shù)據(jù)中心,也可以引用并共享項(xiàng)目數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)。具備權(quán)限用戶對(duì)數(shù)據(jù)的每一次修改,都會(huì)自動(dòng)發(fā)布數(shù)據(jù)更新通知到相關(guān)設(shè)計(jì)人員,以便設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)最新的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析工作。數(shù)據(jù)庫(kù)管理以呈現(xiàn)專業(yè)室型號(hào)、項(xiàng)目知識(shí)為主,以結(jié)構(gòu)樹或平鋪分區(qū)進(jìn)行展示(型號(hào)、項(xiàng)目代號(hào)名稱)。每個(gè)項(xiàng)目的知識(shí)按照研制階段(如方案、工程設(shè)計(jì)、初樣和定型等)進(jìn)行分類,提供瀏覽查詢知識(shí)界面,以及用以錄入、上傳及審批知識(shí)的窗口。

3.5 知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)集成技術(shù)

知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)能夠收集,保存,轉(zhuǎn)換,傳遞,更新并維護(hù)整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)和資料等信息,為產(chǎn)品研制過程中的決策提供參考服務(wù)。知識(shí)數(shù)據(jù)管理與具體的設(shè)計(jì)活動(dòng)相結(jié)合,設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中,能夠把設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)積累到管理系統(tǒng)中,也可以根據(jù)當(dāng)前的工作語境主動(dòng)且智能地推送滿足符合度的設(shè)計(jì)知識(shí),使得知識(shí)與設(shè)計(jì)形成良好互動(dòng),實(shí)現(xiàn)知識(shí)共享和分發(fā),真正做到知識(shí)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整個(gè)過程,使企業(yè)的設(shè)計(jì)能力可以持續(xù)積累和提高。

結(jié)合水中兵器動(dòng)力甚至總體系統(tǒng)現(xiàn)有的知識(shí)管理系統(tǒng)、PDM、數(shù)字化仿真平臺(tái)等基礎(chǔ),梳理水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)與現(xiàn)有知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)集成所需的接口,與已有的知識(shí)庫(kù)、資源庫(kù)集成(見圖5)。在調(diào)用工程模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)分析過程中,系統(tǒng)能夠傳遞用戶當(dāng)前設(shè)計(jì)分析工作的關(guān)鍵詞信息至知識(shí)管理系統(tǒng),通過知識(shí)庫(kù)、資源庫(kù)管理后臺(tái)引擎搜索出匹配度滿足要求的設(shè)計(jì)知識(shí),主動(dòng)推送到本系統(tǒng)供用戶在線瀏覽,實(shí)現(xiàn)從知識(shí)管理上升到知識(shí)工程應(yīng)用層面,便于不同部門、專業(yè)或部件設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行信息的實(shí)時(shí)交互,以達(dá)到全過程協(xié)同設(shè)計(jì)與管理的目的。

圖5 知識(shí)庫(kù)與數(shù)據(jù)庫(kù)集成在線應(yīng)用Fig.5 Integrated online application of knowledge base and data base

4 結(jié)束語

文中針對(duì)水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)需求、現(xiàn)狀及特點(diǎn),結(jié)合國(guó)內(nèi)外數(shù)字化發(fā)展先進(jìn)典型案例,提出水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展的主要思路,分析了水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù),為構(gòu)建基于MBSE 的水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)提供參考,引導(dǎo)科研生產(chǎn)模式向數(shù)字化發(fā)展方向轉(zhuǎn)型。

水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,不僅受技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)條件限制,也受外部環(huán)境以及自身觀念等非技術(shù)條件的制約。應(yīng)當(dāng)以需求 (發(fā)展需求和成本需求) 為牽引,長(zhǎng)期、持續(xù)地推進(jìn)水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)體系的發(fā)展,做好總體規(guī)劃和頂層設(shè)計(jì),充分整合和利用現(xiàn)有資源,根據(jù)自身實(shí)際情況和特征,分階段實(shí)施,邊建邊用,不斷完善,建設(shè)適用于水中兵器動(dòng)力系統(tǒng)的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)體系化研制能力的應(yīng)用和提升。