基于模块化产品平台的飞机族设计技术探讨图文Word文档下载推荐.docx

1、 飞机族 ; 模块化 ; 通用化 ; 优化 中图分类号 :V221文献标识码 :AA ircraft Fa m ily D esi gn U si ng M odu l ar P roduct P l a tformM ethodology -An Exp l ora tory StudyYO NG M ing -pe, i YU X i o ng -q i n g（College ofA er ospace Engi n eering Nan ji n gU niversity ofAeronauticsand A stronautics , Nan ji n g 210016, Chi n

2、 aAbstract :The use of modu larity and pr oduct p latf or m has been i m portan t means f or manuf acturi n g co mpanies to desi g n and deve l o p product fa m ilies 1M odu lar product platf or m methodology can enhancet h e co mpetitive advantage f or co mpan ies by of fering mu ltiple benefits i

3、n clud i n g satisf yi n g a variety of market n iches , reduced deve l o p m ent ti m e , and reduced pr oducti o n cost 1I n this paper , the concept and method of the modu lar product p latf or m are app lied to the prob le m of a ircraft f a m ily design 1The several issues f or a ircraft f a m

4、ily design are discussed , i n cluding the configurati o n and layout f or air 2craft f a m ily , aerodyna m ic design opti m ization of aircra f t f a m il y , str uctural desi g n opti m ization of air 2craft f a m ily , and mu ltidisc i p linary design opti m ization f or a ircraft f a m ily 1K e

5、y w ord s :a ircraft design ; aircraft f a m il y ; modularity ; co mmona lity; opti m izati o n 飞机族 （A ircra f t Fa m il y 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

6、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

7、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 JS F 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 （S T OVL 。 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

8、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

9、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 57。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

10、; 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 57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 （product f a m il y 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 （modu le 和模块化 （modu larity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

11、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 （product platf or m 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

12、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 （product arch itecture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 :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

13、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

14、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 :F 0, F i （i =1, N 设计变量 :X P , X i （i =1, N 约束条

15、件 :产品 1设计要求产品 2设计要求, ,产品 N 设计要求其中 , F 0为整个产品族经济性指标 ; F i （i = 1, N 为产品族中第 i 个产品的目标函数 ; X P 为 描述产品平台的设计变量 ; X i 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