艦船裝備維修性設計集成管理技術與系統*

葛哲學 楊擁民 羅 旭 徐永成

(國防科技大學機電工程與自動化學院 長沙 410073)

1 引言

艦船在使用過程中,會需要大量的日常維護和維修活動。艦船維修性是衡量艦船裝備可維修質量水平的重要內容之一,良好的維修性可使得艦船維修過程“省時、省力、維修”,盡快恢復戰斗力,從而提高艦船的戰備完好性和任務成功率[1]。

由于艦船結構復雜、零部件眾多、設計難度大,傳統的維修性設計方法和結構設計過程沒有相互統一,一定程度上存在“兩張皮”現象[3]。為使得維修性設計和結構設計能夠同步并行,需要將兩者相關的設計信息能夠無縫集成起來,達到整個設計過程中的高度融合和信息共享,形成高度統一的設計技術框架,同時能夠支持維修性建模、分配、結構設計、預計、分析等使能工具的應用。另一方面,由于維修性設計過程中的信息繁多,包括指標要求、維修性數據、接口數據、設計圖紙等多種類型,因此需要系統化的技術支持和科學高效的管理工具。

近年來,國內外在這方面的研究較為重視。文獻[4～5]研究了支持并行設計的維修性建模方法,建立了包含維修性信息和結構設計信息的擴展數據模型;文獻[6]研究了基于維修性并行設計過程中的數據環境和設計使能技術。國外出現了一些支持維修性設計的軟件工具,包括支持維修性結構設計的CAD工具軟件如CAT IA等,以及維修性分配和預計工具RELEX等。深入分析可以發現,在產品結構基礎上建立維修性擴展數據模型,以形成統一的數據環境并進行并行維修性設計是未來的發展趨勢。然而目前這方面仍缺乏有效的維修性設計集成框架,尚未形成支持維修性設計輔助工具和信息管理的平臺級系統,不能滿足艦船裝備維修性設計技術的迫切需求。

為此,本文主要將維修性設計和PDM相結合,對傳統的PDM的設計思想和模型進行了擴展,植入維修性設計工程的使能工具,規劃了維修性設計集成平臺的功能結構和業務過程,并采用軟件工程化的設計思想,得到了通用艦船裝備維修性設計技術平臺。

2 艦船維修性設計平臺集成模式與功能模型

2.1 集成模式

考慮PDM和維修性設計系統之間的集成模式一般分為封裝、接口和緊密集成,下面從維修性設計工具的角度對這三種方式加以分析:

1)外部調用模式。當維修性設計工具只提供給用戶一個可執行文件(exe)時,往往采用PDM系統對工具進行簡單封裝以實現二者集成,此時PDM系統只能管理工具生成的文件整體,而不能操作其內部的具體數據。

2)接口模式。當維修性設計工具提供了訪問其內部數據的接口函數時,用戶可以綜合利用PDM系統的API函數和維修性設計工具的動態鏈接庫函數開發一個獨立的接口程序實現系統之間數據的交互,使二者保持異步一致。

3)緊密集成模式。緊密集成是PDM系統與維修性設計工具最為理想的集成模式,它需要調用相應的API函數基于維修性設計工具的源程序作二次開發,通過建立互動的共享信息模型,以實現維修性設計工具與PDM系統之間數據交互的同步一致性。

相比而言,第一種方式實現最為簡單,但功能較為粗糙,不能實現兩者實際意義上的數據共享和同步。第二種方式雖然能實現兩者之間的數據協同,但由于是多個不同的軟件工具,所以用戶使用較為麻煩。這里主要采用緊密集成模式,將維修性使能工具作為維修性設計與管理的重要組成部分,深度集成到PDM架構之中,實現兩者之間的信息集成、功能集成和過程集成,從而形成維修性并行設計的綜合一體化軟件系統,便于維修性的并行設計與管理。

2.2 功能模型

作為方案、研制階段的維修性相關活動,維修性設計主要包括維修性建模與分配,維修性設計準則制定,維修性結構方案、維修性分析預計、維修性綜合權衡以及維修性試驗與評定。維修性建模與分配通過建立維修性定量指標分配模型,將系統級的維修性定量指標逐步向下分配到功能子系統,明確各部分的維修性設計目標或指標;維修性設計準則的制定將維修性定性要求轉化為相應的設計準則;維修性設計根據維修性分配結果和設計準則進行結構方案設計,使其滿足要求的維修性;維修性分析預計通過對維修性進行分析,檢驗維修性設計及是否達到要求;維修性綜合權衡綜合考慮費用、可靠性、保障性、動靜態特性、戰術技術指標等因素權衡比較分析維修性方案,以確定合理的維修性設計方案;維修性試驗與評定通過樣機的維修性演示驗證試驗,對維修性試驗評估,發現維修性設計問題并提出改進建議。

艦船維修性并行設計集成平臺應具備設計數據管理、維修性結構設計和分析、維修性使能工具等方面的功能,如圖1所示,主要通過集成PDM的擴展來實現全系統的數據集成和管理,內部集成設計輔助工具實現維修性設計工程當中的主要技術過程,并向下集成CAD軟件和維修性分析軟件完成具體結構的設計。

圖1 維修性設計集成平臺與其它工具軟件之間的關系

具體說來,集成平臺的主要功能應包括以下幾個方面,其功能模型如圖2所示。

圖2 艦船維修性集成平臺功能組成圖

1)為產品維修性設計提供統一的設計構架,實現產品維修性的建模、分配、詳細設計、分析和預計。

2)實現維修性信息的集成管理,產品維修性信息和模型數據能在平臺內共享,對設計人員、圖紙和產品實現高效管理。

3)集成了維修性設計的工具和軟件,將產品設計人員納入到統一的平臺下工作,并可進行全程管理和設計監控。

3 艦船維修性設計集成平臺設計

3.1 數據庫設計

根據維修性信息和產品結構數據之間的集成關系,設計了包含維修性信息在內的產品全信息模型,實現全系統共享數據庫設計,比如建立的維修性分配和預計數據表設計的ER模型,如圖 3所示。采用SQL Server、軟件建立數據表格,為艦船維修性設計集成平臺建立了共享數據環境。

圖3 維修性數據庫設計ER圖

3.2 系統結構設計

系統的結構層次如圖4所示。在論證階段提供的功能主要指維修性設計接口,提供維修性要求的輸入界面,支持維修性使用要求和保障性要求的轉換功能。在方案、研制階段主要根據可靠性指標和接口信息類型維修層次建模和維修職能流程建模,并以此開展維修性分配,明確各維修級別單元設計的維修性指標,通過維修性設計準則為結構設計過程提供約束。然后開展各零部件的具體結構設計,并進行維修性分析、優化和維修性預計,提供對應的功能實現界面,最后是維修性的試驗與評定。

3.3 與CAD和維修性分析工具之間的集成

結構的維修性設計和分析是集成平臺的核心內容。平臺通過調用的方式向下兼容維修性設計軟件(CATIA等)、維修性分析軟件(JACK等),三者之間的信息傳遞關系如圖5所示。集成平臺向設計軟件主要傳遞維修性定量和定性要求、產品結構樹信息等;而CAD軟件則向集成平臺傳遞編輯設計后的圖紙模型、文檔轉換模型以及初步的預計參數等。在集成平臺和分析軟件之間,前者向后者提供轉換可打開的產品和工具文檔模型,后者則匯總分析的結果到平臺。

3.4 維修性設計審核

為實現設計過程的管理和審核,提供維修性審核的功能,審核的流程關系如圖6所示。在顯示維修性分配、維修性分析(基于JACK的過程分析)、維修性預計的結果基礎上,對各個局部設計結果和維修性設計的宏觀流程進行審核和管理。

圖6 維修性審核過程和關系

4 艦船維修性設計集成平臺

根據以上研究,開發了面向艦船維修性設計的集成平臺,主要基于 Visual Studio.net環境和C#.net語言,開發過程充分利用軟件工程化的思想,將業務過程和界面設計、基礎模塊和業務模塊均合理分開,有利于軟件的協作開發、升級和維護。設計過程利用了開發了相關的基礎模塊類庫和業務模塊類庫,如 PDMBusiness.ProductSpace、PDMBusiness.DocumentSpace、AddinPDMBusiness.ProductSpace等。軟件采用模塊式管理,可在基礎平臺上通過插件形式增減相應的功能。通過SQL Server2000的存儲過程實現了產品插入式各數據表的聯動,使得各數據表保持同步更新。

實現的主要功能有:

1)覆蓋了產品維修性設計和分析的主要工作項目,能夠根據維修性相關國軍標的規定和要求,實現維修性建模、維修性分配與定性要求、維修性設計、維修性分析、維修性預計等主要功能。

2)具備產品數據管理的主要功能:

?產品庫和物料庫管理

?設計文檔的創建、設計、歸檔、更改和超級瀏覽

?圖紙的版本管理、檢索、批注、簽入簽出、反查以及比較等

?可定制的項目管理、工藝管理等功能

3)具有強大的維修性設計和分析工具軟件集成能力:

?可集成常用機械設計軟件,實現與平臺的信息通訊。

?可集成JACK、CATIA等維修性分析軟件,可實現維修性分析結果的上傳和下載。

圖9 基于CATIA的維修性分析

4)具有強大的設計基礎數據管理和配置功能?？蓪崿F部門用戶管理、設計角色管理、產品設計流程和模板管理、版本管理、文件類型配置、維修性設計方式配置等功能。

5 結語

為實現維修性設計過程與產品設計過程的統一,將產品的維修性建模分配、維修性分析、維修性預計與產品設計過程緊密結合,通過研究集成平臺的集成模式、功能模型、系統結構與實現方法,最終實現了維修性信息和產品設計數據的無縫連接和集成化管理,提供了維修性定量指標和定性指標的實現手段,兼具產品數據管理(PDM)與維修性設計的主要功能,并具備與常用CAD軟件的支持能力,以此形成對維修性工程國軍標的最大能力支持,從而為復雜艦船裝備和產品的維修性設計提供了一種高效而實用的先進設計與管理技術平臺。

[1]朱英富.水面艦船設計新技術[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,2004

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

[3]于永利,郝建平,杜曉明.維修性工程理論與方法[M].北京:國防工業出版社,2007

[4]劉安清,郝建平.支持并行設計的維修性模型及其實現[J].計算機集成制造系統,2004:769～774

[5]劉安清.并行環境下的維修性信息模型框架[J].機械設計,2003,20(1):18～20

[6]周紅,甘茂治.基于并行工程的產品維修性設計[J].機械設計,2003,20(9):3～5