葛哲学 杨拥民 罗 旭 徐永成

(国防科技大学机电工程与自动化学院 长沙 410073)

1 引言

舰船在使用过程中,会需要大量的日常维护和维修活动。舰船维修性是衡量舰船装备可维修质量水平的重要内容之一,良好的维修性可使得舰船维修过程“省时、省力、维修”,尽快恢复战斗力,从而提高舰船的战备完好性和任务成功率[1]。

由于舰船结构复杂、零部件众多、设计难度大,传统的维修性设计方法和结构设计过程没有相互统一,一定程度上存在“两张皮”现象[3]。为使得维修性设计和结构设计能够同步并行,需要将两者相关的设计信息能够无缝集成起来,达到整个设计过程中的高度融合和信息共享,形成高度统一的设计技术框架,同时能够支持维修性建模、分配、结构设计、预计、分析等使能工具的应用。另一方面,由于维修性设计过程中的信息繁多,包括指标要求、维修性数据、接口数据、设计图纸等多种类型,因此需要系统化的技术支持和科学高效的管理工具。

近年来,国内外在这方面的研究较为重视。文献[4～5]研究了支持并行设计的维修性建模方法,建立了包含维修性信息和结构设计信息的扩展数据模型;文献[6]研究了基于维修性并行设计过程中的数据环境和设计使能技术。国外出现了一些支持维修性设计的软件工具,包括支持维修性结构设计的CAD工具软件如CAT IA等,以及维修性分配和预计工具RELEX等。深入分析可以发现,在产品结构基础上建立维修性扩展数据模型,以形成统一的数据环境并进行并行维修性设计是未来的发展趋势。然而目前这方面仍缺乏有效的维修性设计集成框架,尚未形成支持维修性设计辅助工具和信息管理的平台级系统,不能满足舰船装备维修性设计技术的迫切需求。

为此,本文主要将维修性设计和PDM相结合,对传统的PDM的设计思想和模型进行了扩展,植入维修性设计工程的使能工具,规划了维修性设计集成平台的功能结构和业务过程,并采用软件工程化的设计思想,得到了通用舰船装备维修性设计技术平台。

2 舰船维修性设计平台集成模式与功能模型

2.1 集成模式

考虑PDM和维修性设计系统之间的集成模式一般分为封装、接口和紧密集成,下面从维修性设计工具的角度对这三种方式加以分析:

1)外部调用模式。当维修性设计工具只提供给用户一个可执行文件(exe)时,往往采用PDM系统对工具进行简单封装以实现二者集成,此时PDM系统只能管理工具生成的文件整体,而不能操作其内部的具体数据。

2)接口模式。当维修性设计工具提供了访问其内部数据的接口函数时,用户可以综合利用PDM系统的API函数和维修性设计工具的动态链接库函数开发一个独立的接口程序实现系统之间数据的交互,使二者保持异步一致。

3)紧密集成模式。紧密集成是PDM系统与维修性设计工具最为理想的集成模式,它需要调用相应的API函数基于维修性设计工具的源程序作二次开发,通过建立互动的共享信息模型,以实现维修性设计工具与PDM系统之间数据交互的同步一致性。

相比而言,第一种方式实现最为简单,但功能较为粗糙,不能实现两者实际意义上的数据共享和同步。第二种方式虽然能实现两者之间的数据协同,但由于是多个不同的软件工具,所以用户使用较为麻烦。这里主要采用紧密集成模式,将维修性使能工具作为维修性设计与管理的重要组成部分,深度集成到PDM架构之中,实现两者之间的信息集成、功能集成和过程集成,从而形成维修性并行设计的综合一体化软件系统,便于维修性的并行设计与管理。

2.2 功能模型

作为方案、研制阶段的维修性相关活动,维修性设计主要包括维修性建模与分配,维修性设计准则制定,维修性结构方案、维修性分析预计、维修性综合权衡以及维修性试验与评定。维修性建模与分配通过建立维修性定量指标分配模型,将系统级的维修性定量指标逐步向下分配到功能子系统,明确各部分的维修性设计目标或指标;维修性设计准则的制定将维修性定性要求转化为相应的设计准则;维修性设计根据维修性分配结果和设计准则进行结构方案设计,使其满足要求的维修性;维修性分析预计通过对维修性进行分析,检验维修性设计及是否达到要求;维修性综合权衡综合考虑费用、可靠性、保障性、动静态特性、战术技术指标等因素权衡比较分析维修性方案,以确定合理的维修性设计方案;维修性试验与评定通过样机的维修性演示验证试验,对维修性试验评估,发现维修性设计问题并提出改进建议。

舰船维修性并行设计集成平台应具备设计数据管理、维修性结构设计和分析、维修性使能工具等方面的功能,如图1所示,主要通过集成PDM的扩展来实现全系统的数据集成和管理,内部集成设计辅助工具实现维修性设计工程当中的主要技术过程,并向下集成CAD软件和维修性分析软件完成具体结构的设计。

图1 维修性设计集成平台与其它工具软件之间的关系

具体说来,集成平台的主要功能应包括以下几个方面,其功能模型如图2所示。

图2 舰船维修性集成平台功能组成图

1)为产品维修性设计提供统一的设计构架,实现产品维修性的建模、分配、详细设计、分析和预计。

2)实现维修性信息的集成管理,产品维修性信息和模型数据能在平台内共享,对设计人员、图纸和产品实现高效管理。

3)集成了维修性设计的工具和软件,将产品设计人员纳入到统一的平台下工作,并可进行全程管理和设计监控。

3 舰船维修性设计集成平台设计

3.1 数据库设计

根据维修性信息和产品结构数据之间的集成关系,设计了包含维修性信息在内的产品全信息模型,实现全系统共享数据库设计,比如建立的维修性分配和预计数据表设计的ER模型,如图 3所示。采用SQL Server、软件建立数据表格,为舰船维修性设计集成平台建立了共享数据环境。

图3 维修性数据库设计ER图

3.2 系统结构设计

系统的结构层次如图4所示。在论证阶段提供的功能主要指维修性设计接口,提供维修性要求的输入界面,支持维修性使用要求和保障性要求的转换功能。在方案、研制阶段主要根据可靠性指标和接口信息类型维修层次建模和维修职能流程建模,并以此开展维修性分配,明确各维修级别单元设计的维修性指标,通过维修性设计准则为结构设计过程提供约束。然后开展各零部件的具体结构设计,并进行维修性分析、优化和维修性预计,提供对应的功能实现界面,最后是维修性的试验与评定。

3.3 与CAD和维修性分析工具之间的集成

结构的维修性设计和分析是集成平台的核心内容。平台通过调用的方式向下兼容维修性设计软件(CATIA等)、维修性分析软件(JACK等),三者之间的信息传递关系如图5所示。集成平台向设计软件主要传递维修性定量和定性要求、产品结构树信息等;而CAD软件则向集成平台传递编辑设计后的图纸模型、文档转换模型以及初步的预计参数等。在集成平台和分析软件之间,前者向后者提供转换可打开的产品和工具文档模型,后者则汇总分析的结果到平台。

3.4 维修性设计审核

为实现设计过程的管理和审核,提供维修性审核的功能,审核的流程关系如图6所示。在显示维修性分配、维修性分析(基于JACK的过程分析)、维修性预计的结果基础上,对各个局部设计结果和维修性设计的宏观流程进行审核和管理。

图6 维修性审核过程和关系

4 舰船维修性设计集成平台

根据以上研究,开发了面向舰船维修性设计的集成平台,主要基于 Visual Studio.net环境和C#.net语言,开发过程充分利用软件工程化的思想,将业务过程和界面设计、基础模块和业务模块均合理分开,有利于软件的协作开发、升级和维护。设计过程利用了开发了相关的基础模块类库和业务模块类库,如 PDMBusiness.ProductSpace、PDMBusiness.DocumentSpace、AddinPDMBusiness.ProductSpace等。软件采用模块式管理,可在基础平台上通过插件形式增减相应的功能。通过SQL Server2000的存储过程实现了产品插入式各数据表的联动,使得各数据表保持同步更新。

实现的主要功能有:

1)覆盖了产品维修性设计和分析的主要工作项目,能够根据维修性相关国军标的规定和要求,实现维修性建模、维修性分配与定性要求、维修性设计、维修性分析、维修性预计等主要功能。

2)具备产品数据管理的主要功能:

◦产品库和物料库管理

◦设计文档的创建、设计、归档、更改和超级浏览

◦图纸的版本管理、检索、批注、签入签出、反查以及比较等

◦可定制的项目管理、工艺管理等功能

3)具有强大的维修性设计和分析工具软件集成能力:

◦可集成常用机械设计软件,实现与平台的信息通讯。

◦可集成JACK、CATIA等维修性分析软件,可实现维修性分析结果的上传和下载。

图9 基于CATIA的维修性分析

4)具有强大的设计基础数据管理和配置功能。可实现部门用户管理、设计角色管理、产品设计流程和模板管理、版本管理、文件类型配置、维修性设计方式配置等功能。

5 结语

为实现维修性设计过程与产品设计过程的统一,将产品的维修性建模分配、维修性分析、维修性预计与产品设计过程紧密结合,通过研究集成平台的集成模式、功能模型、系统结构与实现方法,最终实现了维修性信息和产品设计数据的无缝连接和集成化管理,提供了维修性定量指标和定性指标的实现手段,兼具产品数据管理(PDM)与维修性设计的主要功能,并具备与常用CAD软件的支持能力,以此形成对维修性工程国军标的最大能力支持,从而为复杂舰船装备和产品的维修性设计提供了一种高效而实用的先进设计与管理技术平台。

[1]朱英富.水面舰船设计新技术[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2004

[2]MIL-HDBK-470A.Design and developing maintainable products and system,1997

[3]于永利,郝建平,杜晓明.维修性工程理论与方法[M].北京:国防工业出版社,2007

[4]刘安清,郝建平.支持并行设计的维修性模型及其实现[J].计算机集成制造系统,2004:769～774

[5]刘安清.并行环境下的维修性信息模型框架[J].机械设计,2003,20(1):18～20

[6]周红,甘茂治.基于并行工程的产品维修性设计[J].机械设计,2003,20(9):3～5