基于模块化产品平台的飞机族设计技术探讨图文.docx

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基于模块化产品平台的飞机族设计技术探讨图文

文章编号:

1673-4599（200604-0030-08

基于模块化产品平台的飞机族设计技术探讨

雍明培,余雄庆

（南京航空航天大学航空宇航学院,江苏南京210016

摘要:

模块化产品平台是一种有效的开发产品族的策略。

这种策略面向消费者多样化和个性化需求,同时能够缩短产品开发周期,降低生产成本,从而提高企业的竞争力。

本文基于模块化产品平台的概念和方法,探讨了飞机族（系列机体设计问题,包括飞机族构型设计和总体布置、飞机族气动外形设计优化、飞机族结构设计优化、飞机族多学科设计优化等问题。

关键词:

飞机设计;飞机族;模块化;通用化;优化中图分类号:

V221

文献标识码:

A

AircraftFamilyDesignUsingModularProductPlatform

Methodology-AnExploratoryStudy

YONGMing-pe,iYUXiong-qing

（CollegeofAerospaceEngineeringNanjingUniversityofAeronautics

andAstronautics,Nanjing210016,China

Abstract:

Theuseofmodularityandproductplatformhasbeenimportantmeansformanufacturingcompaniestodesignanddevelopproductfamilies1Modularproductplatformmethodologycanenhance

thecompetitiveadvantageforcompaniesbyofferingmultiplebenefitsincludingsatisfyingavarietyofmarketniches,reduceddevelopmenttime,andreducedproductioncost1Inthispaper,theconceptandmethodofthemodularproductplatformareappliedtotheproblemofaircraftfamilydesign1Theseveralissuesforaircraftfamilydesignarediscussed,includingtheconfigurationandlayoutforair2craftfamily,aerodynamicdesignoptimizationofaircraftfamily,structuraldesignoptimizationofair2craftfamily,andmultidisciplinarydesignoptimizationforaircraftfamily1

Keywords:

aircraftdesign;aircraftfamily;modularity;commonality;optimization飞机族（AircraftFamily指一组相关的、具有某些共同特征的飞机产品系列。

通过开发系列化飞机产品,可满足用户不同的需求,既能占有市场,同时又能缩短产品开发周期,降低生产成本,从而提高企业的竞争力。

因此,飞机系列化成为许多飞机制造企业开发飞机产品的重要策

略。

例如,新一代波音737有600/700/800/900型4种机型间具有98%的机械零部件通用性和100%的发动机通用性。

我国许多飞机通过改进改型也发展成系列化飞机族。

如国产支线机运7自成功首飞以来,首先完善基本型,进而发展成为运7-100型,经过多年的发展,已形成了基本

收稿日期:

2006-08-20

:

#30#飞机设计第4期2006年12月

型、客运型、货运型、迭装型、公务型、发展型的系列化型号[1]。

但目前往往是采用一种/事后0系列化方法来实现飞机的系列化,即在成功研制了一种飞机型号后,才开始考虑将其作为基本型,通过/挖潜0来发展成系列型号[2]。

事实上,要使各种衍生出来的机型能更好适应不同的飞行任务,应该在飞机型号设计的初期,也就是说在气动布局、总体布置和外形参数确定阶段就应考虑系列化的要求。

美国联合攻击机JSF是一种在设计之初就考虑不同军种使用要求的战斗机[3]。

JSF包括3种类型的飞机,一种是空军使用的常规起落型（CTOL,另一种是海军使用的舰载型（CV,第3种是海军用的短距起飞垂直着陆型（STOVL。

JSF设计思想是设计一个通用的飞机平台,在此基础上衍生出3种不同的型号,以满足用户不同的需求。

虽然最终由于3种型号性能差异太大,JSF部件通用性不如所期望的那么高[4],但其通用性仍然超过了80%[3]。

这种以通用性为指导思想来开发飞机的方式体现了飞机设计思想的转变,即为了降低飞机族全周期成本,要考虑飞机不同型号的通用性,从而有效地降低了飞机族的设计、制造及维护使用的成本,使整个飞机家族的性能价格之比最优。

这实际上是从更高的系统层次来考虑飞机设计方式,即在/需求-设计-制造-使用维护0更大的系统中考虑飞机设计模式。

因此,我们认为:

飞机设计的模式应从传统的单种型号飞机设计模式向飞机族的设计模式转化。

但根据我们查阅文献所知,有关飞机族设计的文献非常有限,还缺乏系统的飞机族设计理论和方法。

另一方面,在普通的机电产品设计中,基于模块化产品平台的产品族设计技术近年来受到了广泛的重视。

基于模块化产品平台策略与传统的/事后0系列化策略不同,它是企业为扩大产品的市场覆盖范围,满足多元化、个性化的市场需求的主动行为,已成为许多企业开发产品的重要策略,也引起了学术界的重视。

通过近10年来众多学者的研究工作,已发展了一些科学的概念和有效的方法[5~7]。

本文试图借鉴模块化产品平台的概念和方法,探讨有关飞机族总体设计的内容和方法。

以基于这些概念和方法,提出飞机族总体设计的若干研究内容和方法;最后对本文的观点进行了总结。

1模块化产品平台的概念和方法

111术语与概念

本小节在文献[5~7]基础上,介绍基于模块化产品平台的产品族设计的有关概念和术语。

产品族（productfamily

产品族也称产品系列,是一系列具有相同特性、零部件和子系统的相似产品的集合。

通过开发产品族可实现产品的多样性,满足市场的不同需求。

对飞机产品而言,可称为飞机族。

模块（module和模块化（modularity

模块是指由若干零件组成的部件或若干元素组成的子系统。

它具有相对的独立性,同时与其他模块连接处有标准的接口,具有互换性。

模块化指使用模块的概念对产品进行规划和组织,它是将系统分解为各模块并可按某种逻辑方式进行模块组合的过程。

模块是模块化产品的基本单元。

通用模块和专用模块

根据模块是否被产品族中不同产品所采用,模块可划分为通用模块和专用模块。

通用模块是指在产品族中被多个产品所采用的模块,其尺寸、形状或特性在不同产品中是完全一样的;专用模块指在产品族中只被一个产品所采用的模块,是该产品为了满足特定的需求（或功能而采用的模块。

产品平台（productplatform

产品平台是产品族中通用模块的集合。

在产品平台基础上,通过更换或增加专用模块,可以派生出一系列产品,形成产品族。

它是实现产品族设计的核心。

本文将飞机族中通用模块的集合称为飞机平台。

产品构架（productarchitecture

产品构架是对产品结构的规划,它包括3个方面内容:

（1产品功能单元的布置;（2将产品功能单元映射到实体零部件;（3对实体零部件的接口进行定义和规范化。

对飞机族而言,飞机族构架主要指飞机族构型和总体布置。

综上所述,模块化、通用性、产品平台是产品族开发的关键概念。

112设计方法

#31#

雍明培,余雄庆:

基于模块化产品平台的飞机族设计技术探讨

两个方面:

第一个方面是研究如何设计产品族的构架;第二个方面是研究如何确定产品族中每种产品的物理参数。

11211产品族构架的设计

产品族构架的设计任务是:

（1确定产品应由哪些模块组成,以满足技术和使用要求;（2识别出哪些模块是通用模块,以此构成产品平台;（3需要哪些模块作为专用模块,以满足各种型号产品性能和功能的多样性。

产品族构架的设计往往是采用定性的分析方法,主要根据一些启发式规则和设计师经验或意图来确定产品族构架。

对于普通的机电产品族,一般可采用功能结构分析方法,即首先分析产品族中各产品的功能要求,在此基础上划分并设计出一系列功能模块,通过模块的选择和组合可以构成不同的产品功能结构图,并识别出通用功能模块,然后将功能结构图转换成到产品实体模块,形成产品族构架。

对于飞机而言,这项工作相当于飞机族的构型设计和总体布置。

11212产品族的参数设计

产品族构架后,产品族设计要解决的一个问题是如何合理地确定产品族的物理参数,使得整个产品族的综合性能和价格之比最优。

产品族的参数设计包括产品平台和专用模块参数的确定。

从优化设计观点来看,产品族的参数设计问题可被看作是多目标优化设计问题。

借鉴优化设计的表达方式,产品族的参数设计问题可表述为[7]:

目标函数:

F0,Fi（i=1,N

设计变量:

XP,Xi（i=1,N

约束条件:

产品1设计要求

产品2设计要求

,

产品N设计要求

其中,F0为整个产品族经济性指标;Fi（i=1,N为产品族中第i个产品的目标函数;XP为描述产品平台的设计变量;Xi描述产品族中第i个产品专用模块的设计变量。

与只针对单一产品设计的优化方法不同,在产品族设计优化方法中要考虑如何体现产品平台品同时优化问题,应用多目标优化算法确定产品族的参数。

对于飞机族的机体设计而言,主要是优化通用部件和专用部件外形参数和结构尺寸。

2飞机族总体设计的内容与方法

如上节所述,产品族设计基本内容是:

首先按功能-结构分析方法,确定产品族的构架;然后对产品族中每种产品进行参数设计。

本节应用