张绪

摘 要：系统工程在高度集成的复杂民机产品的研制中已得到广泛应用。作为民机设计的重要组成部分，民机结构设计中如能引入系统工程过程和方法，必能有效促进民机结构设计工作的革新。民机结构设计的系统工程过程包括功能分析、需求分析、结构设计、零部件生产、部段和全机结构集成及试验试飞等过程。民机结构需求体系须按照结构设计层级进行制定，并依次进行需求确认和需求验证。民机结构设计相关的系统工程问题还包括接口管理、构型管理、技术风险管理等。

关键词：民机结构 系统工程 功能定义 需求定义

中图分类号：TU97 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（a）-0193-03

Abstract：Systems engineering has been widely applied into highly-integrated complex commercial aircraft development.As an important component，the aircraft structural design will receive innovation with systems engineering introduced.Systems engineering processes in commercial aircraft structural design include function analysis，requirements analysis，structural synthesis， structure production，structural integration，structural tests and so on.Structural requirements are built based on structural design levels and shall be validated and verified.Other systems engineering process include interface management，configuration management and technical risk management.

Key Words：Commercial aircraft structure；Systems engineering；Function definition；Requirements definition

系統工程是一门促进系统成功实现的跨学科的手段和方法，在系统研发阶段的早期它关注客户需要以及功能定义并编制需求，进而在考虑运营、成本与进度、性能、培训与支持、试验、制造等所有因素的情况下进行系统设计集成和系统确认，系统工程考虑所有客户的商业和技术要求，以求提供满足要求的高质量产品[1]。目前，系统工程在高度复杂综合性产品的研制过程中得到广泛应用，已经成为管理复杂产品项目的有效方法。民用飞机是典型的高度复杂产品，跨越多学科多专业，研发周期长，投资成本大，成本回收周期长，因此为了确保在有限成本及各种法规的约束下，合理组织流程研制出满足客户和市场需求的飞机，并最大限度地减小成本、进度、质量方面的风险，全球知名航空制造企业已经普遍在研发过程中采用系统工程过程和方法。

民机结构件众多，且结构验证试验数量多，工作量大，结构各部段部装和总装时也存在大量的接口问题，如能在民用飞机结构设计中引入系统工程方法，必将会极大的提高结构设计工作的效率与质量。本文将重点探讨民用飞机结构设计中的系统工程问题和方法。

1 民机结构设计的系统工程过程

民用飞机与系统研制过程的系统工程过程一般以功能分析和需求分析（包括需求定义，需求分配，需求确认等）为基础，进而进行系统架构设计、产品生产以及需求验证、产品确认等过程[2]。

作为飞机设计的一个重要组成部分，飞机结构设计同样适用上述系统工程过程。在飞机研制初期，需要通过市场研究搜集飞机利益相关方（包括客户、运营商、适航当局、系统供应商、空管机构、制造商、乘客等）对飞机结构的要求，同时对飞机结构进行功能分析，在此基础上定义飞机级的结构需求文件，并依次进行结构总体设计；将飞机级结构需求进行分解，得到系统级（大部段级）及子系统级（部段级）、产品级（零部件级）结构需求，并在此进出上进行部段设计，零部件设计，零部件生产，部段及全机结构组装；然后进行部段级和飞机级的结构试验试飞，以验证结构设计合理以及结构需求得到满足。民机结构度设计的系统工程V型图如图1所示。

2 民用飞机结构功能定义

飞机功能分析和定义是进行飞机需求定义的基础以及确保需求完整性的前提，也是进行飞机功能危害性分析的首要条件。飞机功能来源于飞机的操作运行理念，即搭载乘客和货物安全地从起点运行到终点，并提供人机接口、液压能源、气源和电源等飞机运行所需的公共资源，同时需要提供维护功能以保证运营和持续适航。飞机结构相关的功能也来源于上述飞机操作运行理念。

飞机结构功能可分为两大类：（1）提供机体移动和连接。（2）提供飞机内部容纳空间及结构支撑[3]。这两大功能又可以继续细化为多项子功能。

（1）提供机体移动和连接。

该功能可以进一步划分为以下几项子功能。

①提供地面支撑功能。

②提供机体结构连接功能。

③提供系统设备安装功能。

（2）提供飞机内部容纳空间及结构支撑

该功能可以进一步划分为以下几项子功能。

1）提供内部容纳空间。

①承受气动力。

②保证结构完整性和载荷分布。

③提供设备的安放及防护空间。

④提供机上消耗品（燃油、液压油、氧气、水等）的存储空间。

2）提供允许内饰构型更改的功能。

3）提供机组人员和乘客个人物品的存储空间。

4）提供机组人员及乘客的进出功能。

①提供乘客及机组人员的正常进出通道。

②提供乘客及机组人员的应急出口。

③提供货物的存放功能。

④提供货物的进出功能。

⑤提供设备维护通道。

上述功能和子功能可以进一步细分，直至结构零件对应的功能。

3 民用飞机结构需求定义

3.1 需求层级划分

根据结构功能定义，进行需求分析及定义。按照层级划分，需求分为飞机级需求、系统级需求以及子系统级需求。飞机结构设计的层级设置如图2所示。

其中飞机级需求是从全机角度考虑，由飞机顶层团队定义的整个飞机结构应满足的功能性和非功能性需求，如“飞机应为飞行机组提供正常进入驾驶舱和应急逃离驾驶舱的出入口”。

系统级需求，是指相应系统级工作团队根据飞机级需求、其他系统需求以及相应标准和规范，定义形成的本系统级结构应满足的功能性、安全性、可靠性、维修性等需求。如“机身结构不应产生妨碍舱门打开的变形。”

子系统级（部段级）需求，是指各子系统设计团队根据系统级需求、其他系统需求以及相应标准和规范，定义形成的本子系统所应满足的功能性、安全性、可靠性、维修性等需求。如“中央翼连接应考虑应急着陆过载要求。”

子系统以下级别可能还会定义产品规范，以定义零部件产品满足的需求。

3.2 需求编写原则

需求编写应注意以下原则：具体、可度量、可实现、合乎实际和可追踪。

（1）具体：即需求的表述应无歧义，清楚明确，以保证任何阅读需求的人对需求的理解与解释是唯一的，且需求层级应定义恰当。

（2）可度量：每一条需求必须在一定程度上通过标准的方法来验证（试验，分析，相似性等）。

（3）可实现：每一条需求在技术上是可以实现，且须满足相关的标准和规范。

（4）合乎实际：每一条需求在现有的技术条件、资源、成本等的约束下是可以实现的。

（5）可追踪：必须保证每条需求可以追溯至该需求的来源，也必须建立每一条需求与后续设计、实施以及试验之间的链接关系。如每条系统级需求必须可以追溯到相应的飞机级需求。

3.3 需求确认与验证

需求初步定义后，须进行需求确认工作，以确保需求的正确性和完整性。需求确认方法包括追溯，分析、建模或试验，相似性（工程经验），工程评审等。需求确认工作开展前应制定需求确认计划，以规定需求确认所要使用的方法，确认工作角色及责任，关键确认工作的规划等。在开展需求确认工作时应制定需求确认跟踪矩阵，其内容包括：需求、需求来源、需求所属功能、需求研制保证等级；所使用的确认方法，确认的支持证据以及确认结论等。需求确认工作完成后，应制定确认总结，以确保每条需求已得到了适当的确认，其内容包括：确认计划及计划偏离情况，确认矩阵，确认支持资料。

在产品交付前，须按照项目计划完成需求验证工作，以确保定义的所有需求都已通过产品设计和生产得到实现和满足。常用的需求验证方法包括检查或评审、分析、试验与演示、使用/服役经验等。同样开展需求验证工作也须指定需求验证计划、需求验证矩阵，需求验证总结等文件。需求验证计划包括：开展验证活动的人员/组织及其职责，描述设计和验证工作的独立程度，使用的验证方法，将产生的验证资料，相关工作之间的顺序，主要验证工作进度表，需求验证程序等。需求验证矩阵包括：需求，需求所属功能，使用的验证方法，验证程序与参考结果，以及验证结论等。需求验证总结应包括需求验证计划及计划偏离，需求验证矩阵，需求验证的支持材料及材料来源等[4]。

4 民机结构设计相关的其他系统工程问题

民机结构设计还需考虑的系统工程问题包括接口管理、构型管理、以及技术风险管理等。

（1）接口管理。

民机结构设计中需要考虑的接口主要包括两类。第一类是结构部件（如蒙皮上壁板与下壁板）、部段（如前机身与中机身之间）、大部段（如机身与机翼之间）之间的接口设计和管理。需要考虑这些接口部位所涉及的两个结构部件（或部段、大部段）的设计需求，以及在接口部位传力的连续性和合理性，保证接口部位的设计工作不遗漏、不重复、不矛盾，并且在强度分析和试验验证中关注这些接口部位是否满足要求。第二类是结构件与系统件的接口问题，主要涉及系统设备的安装。此类安装接口应保证既满足系统的设计需求（包括安装位置，工作环境等要求），又满足此处结构件的设计需求，系统设备件通过接口传递的载荷应及时传递给结构件设计人员进行评估，且因一方设计问题引起接口更改时应及时通知对方进行相应的设计更改评估。

（2）构型管理。

因飞机结构零部件及连接件数量众多，且较多部位连接复杂，因此民机结构件的构型管理工作十分必要。随着民机研发的逐步进行，应逐步制定结构功能基线、分配基线以及设计基线。构型管理的对象不仅要包括结构数模，還应包括各类设计报告、强度分析报告、载荷文件、结构有限元模型文件、试验验证文件等，并对所有对象的更改进行严格的流程控制和评估。

（3）技术风险管理。

民机结构设计中经常涉及新材料、新技术的应用，这些应用通常会带来产品性能的提升。例如：复合材料因其具有比强度高、比模量高等特点，在结构设计中大量应用会带来可观的减重效果，3D打印技术的应用可简化某些复杂飞机结构件的制造工艺并降低成本，激光焊接技术的应用可以减少飞机紧固件的数量等。但较之传统材料和工艺，新材料、新技术的应用成熟度可能缺乏广泛的预先研究和实际服役数据的支持，因此在研制过程中引发失效的风险也较高，例如：B787飞机在交付后不久即在正式运营过程中发生了锂电池着火事故，导致该机型一度全面停航。因此在民机结构设计中引入新材料、新技术时，需考虑其是否已有足够的预先研究成果和应用数据支持，并对其进行风险分析，制定风险控制措施，以避免对项目的进度、成本产生重大影响。

5 结语

该文定义了民机结构设计的系统工程过程，分析了民机结构功能和需求，总结了民机结构设计中应考虑的接口管理、构型管理以及风险管理等系统工程问题。将系统工程过程和方法应用于传统的民机结构设计，必能有效促进结构设计工作的革新。

参考文献

[1] Cecilia Haskins.INCOSE Systems Engineering Handbook[M].INCOSE，2011.

[2] Scott Jackson.Systems Engineering for Commercial Aircraft[M].

[3] Cheryl Atkinson.Framework for the Application of Systems Engineering in the Commercial Aircraft Domain.INCOSE，2000.

[4] SAE.ARP4754 A Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems.HIS，2010.