1、- 1 -发展发动机产业与数字化工程丁 凯陕西省西安市大庆路 750号 邮政编码 710077Email:摘要：本文通过对数字化技术在发动机产业发展历程的描述，指出中国发动机行业未来发展目标是要建立完善先进的航空发动机设计研制体系和仿真系统，是从测绘仿制到自行设计研制的跨越式战略转变。因此，大力发展数字工程及工程及体系建设是推动发动机事业快速发展的重要举措。并结合航空发动机的研制特点进行了具体说明和阐述。一、航空动力技术的发展现状和趋势航空发动机的发展可以追述到 1903年美国莱特兄弟成功的首次有动力、载人飞行试验。这过去的百年从活塞式发动机到涡轮喷气发动机、涡轮螺桨发动机、涡轮风扇发动机、涡
2、轮轴发动机先后出现，使航空器的性能跨上了一个又一个的新台阶。20 世纪 80年代以来以信息技术为主导的现代科学技术迅猛发展，大幅度地改善了产品的结构、生产过程和经营管理模式。信息技术的广泛应用使技术积累 核心机/验证机 完善技术体系 经济性/多用途发展思路支持下,航空推进技术及其产业链呈现出全球化、信息化、网络化、敏捷化、虚拟化等革命性的改变和加速发展的态势。美国 IHPTET 计划的目标是用 15- 20年时间取得过去 3040 年取得的成就，使航空推进系统能力翻一番，即推重比或功率重量比增加 100%-120% ，耗油率下降 30-40。生产和维修成本降低 35-60。在西欧，以英国与意大
3、利、德国及法国分别实施了先进核心军用发动机计划 (ACME-II) 和先进军用发动机技术计划（AMET） ，目标是在 2005 -2008年验证推重比 18-20、耗油率低 30、制造成本低 30和寿命期费用低 25的技术。俄罗斯的计划是在 2010-2015年验证的技术，与第五代发动机相比，重量减轻 30-50%，油耗减少 15-30%，可靠性提高 60%-80%，维修工作量减少 50%-65。二、数字化技术发展现状与趋势数字化工程经历了单项技术和局部应用企业级集成应用企业间集成应用三个发展阶段。从上世纪 80年代末开始，在 CAD、CAM、MRPII、CAE 等单元技术发展的基础上，随着计
4、算机网络技术、仿真技术和信息集成技术的发展，与数字化产品研发相关的技术，包括- 2 -数字化产品定义、产品数据管理、产品协同商务等技术日趋成熟，为大规模实施产品的数字化工程创造了条件。发达国家先后制定了一系列以信息技术为主导的研究计划，航空工业率先应用产品数字化设计、 制造、管理技术。继波音公司在波音 777飞机设计中全面采用数字化技术后，美国 JSF新一代联合攻击战斗机项目，在网络化和数字化的基础上，联合美、英等十多个国家的几十个关联企业，实现异地协同开发，开创了一个全新的数字化产品开发模式。GEAE（通用电气公司发动机部）通过四个阶段实现航空发动机的异地协同设计和制造。普.惠公司采用团队（
5、Team）的形式来管理发动机全生命周期内的一切经济技术活动，到目前已发展成为以并行工程为核心的集成产品开发 IPD（Integrated Product Development） 。罗.罗公司实施并行工程，建立了协同的计算机工作环境。包括产品和过程定义、产品定义控制、产品过程定义信息支持等三个部分，显著地缩短了产品开发周期，降低了成本，增强了产品的竞争能力。同时国外的航空和国防工业，经历了和正在进行着一场深刻的生产模式的革命-从传统的大批量生产原则向精益生产模式的转变。发达国家的实践表明，要提高发动机的研制水平，必须在更广的范围和更深的层次上应用数字化技术，建立具有核心竞争力的企业模式。多年来
6、，我国发动机行业在设计、制造、试验等工程领域中，大规模地推进CAD、CAE、CAM 技术的应用， “十五”期间国家通过高新工程技术改造，建起了功能配套的计算机网络系统和设计、制造应用系统，行业内厂所基本实现了办公自动化。通过行业网实现了行业内厂所的信息互通。采用了 PDM技术，开展了发动机数字化设计、制造技术研究，提高了设计质量和设计效率。发动机主要制造厂采用 CAD/CAPP/CAM技术，开展了针对数字化生产线的技术研究，在部分发动机关键零件工装设计、工艺设计、数控加工中取得了明显效果；863/CIMS 示范工程、 “十五”开展的 APTD研究计划、发动机综合设计集成技术与工程数据库等技术研
7、究项目，数字化技术、条件和手段的发展，航空制造业数字化工作取得了突破性的进展。但在总体的应用深度和应用效果上尚存在较大差距，主要表现在：信息化战略规划滞后；尚未形成科学合理的数字化研制技术体系；产品设计与制造工艺的分离；数字化技术基础还相当薄弱，在相关的技术标准的制定和实施等方面，远远落后于欧美国家的航空工业。三、发动机产业发展与数字化工程中国的航空发动机制造从新中国成立至今已有五十多年的历史。从 1956年研制出新中国第一台航空喷气发动机以来，经历了从修理、仿制、改进改型，到自行设计研制和派生发展阶段，为国防建设做出了重大贡献。随着经济全球化和国际竞争的加剧，我国航空发- 3 -动机研制也从
8、单一品种大批量生产向多型号、系列化和单件生产模式转变。大量采用新材料、新技术且结构先进、工艺复杂的航空发动机产品，用现有的技术和制造能力、传统设计、工艺等方法已远远不能满足航空发动机的研制和发展。“航空大发展，动力要先行” 作为我国航空发动机及相关的燃机支柱，我国航空发动机未来的发展目标是通过十五年的努力，实施三步走发展战略， 攀登三个技术台阶，走完一个自行研究发展的全过程，建立完善我国自己的先进航空发动机设计研制体系和仿真系统，完成从测绘仿制到自行设计研制的战略转变，形成军、民、燃机三大支柱产业。通过三代发动机的设计、制造，预研四代发动机水平，探索五代发动机技术，为飞机提供推力大、耗油低、推
9、重比大的优良动力装置，扭转我国航空动力落后被动的局面，基本满足国防和国民经济建设的需要，向世界航空动力强国的行列迈进。信息化的核心是数字化，数字化技术主要是以计算机软硬件、接口设备、协议及网络为技术手段，以信息的离散化表述、传递、处理、执行、存贮、集成等信息科学理论及方法为基础的集成技术。发动机研制过程包括产品需求分析、概念设计、详细设计、工艺设计、加工装配、生产管理、质量保证、维护维修等全生命周期的各环节。必须解决产品的多学科建模理论与方法，综合设计、性能仿真验证、设计知识和经验的描述与应用，知识库、数据库的建立，标准化、规范化等基本问题，应用实施数字化技术可实现模型化、综合化、虚拟化、理论
10、化、规范化为发动机全生命周期中的各个阶段提供科学的解决方案，数字化技术已成为现代军工制造业中不可或缺的重要基础技术。同时数字化是快速响应制造的重要途径，数字化、精密化、柔性化、高速化数字装备是发动机核心制造能力的技术保障。数字化辅助设计、并行工程、数控加工等先进技术大幅度减少返工、实物实验、缩短开发周期、提高加工质量和材料利用率，是提高企业效益促进我国航空动力行业实现“跨同越式”发展，缩小与世界先进水平差距的重要途径和手段。航空发动机的研制是一个复杂的系统工程，研制技术难度大，研制周期长，协调关系多，投资数额大，项目风险高。要解决这些问题，就必须积极采用现代化技术和手段，转变生产模式，建立新的
11、发动机设计、制造、试验、保障等有效价值的协同平台和数字化工程体系，提高设计、制造和管理水平，充分利用行业资源，缩短研制周期，降低研制成本，实现发动机设计技术、试验技术、制造技术、材料技术和管理技术的集成与发展，形成发动机产业创新能力和竞争能力。四、建立数字化工程体系推动发动机快速发展“十六”大报告指出：信息化是我国加快实现工业化和现代化的必然选择。坚持以信息- 4 -化带动工业化，以工业化促进信息化，走新型工业化路子。针对航空发动机研制专业复杂、技术要求高、组织管理难度大、周期紧的特点，发动机数字化工程的重要目标是：依据发动机战略发展规划，借鉴国外航空企业最佳实践经验，突破数字化设计、仿真、试
12、验、制造、异地协同工作、信息集成和过程集成以及并行工程等一批关键技术，基于行业网/军用专网与发动机异地协同平台，建立发动机数字化快速研制体系、数字化精益制造体系、数字化服务支撑保障体系。结合技术改造和发动机型号研制的投入，使发动机数字化设计制造应用技术达到本世纪初的世界先进技术水平，推动发动机研制技术的跨越式发展。图 1-发动机数字化工程构架发动机数字化工程建设应依据发动机信息化顶层设计方案采用总体规划、分步实施的方法，分阶段实施：第一阶段为数字化工程主体建设阶段，第二阶段为数字化工程应用阶段。航空发动机异地协同工作平台：基于行业网配备符合发动机数字化发展的网络、数据安全系统及设施，建立完善的
13、安全防范体系，防止数据损失及失泄密事件发生，确保系统、数据安全可靠。在此基础上建立发动机异地协同工作平台，规范数字化环境下的发动机设计的方法、标准规范、工作流程、管理制度，支持跨地区的设计和管理活动。数字化快速研制体系：通过项目管理系统、产品数据管理技术、多学科优化技术、仿真技术、数据库技术、快速制造技术、数字化试验分析技术的应用，建立包含产品数据管理、发动机产品数字化定义、数值仿真体系、多学科综合优化系统、数字化试验系统、工程数据库、快速制造系统在内的发动机数字化研制体系，支持发动机设计的能力和效率提技 术 创 新 体 系数 字 化数 字 化设 计 制 造设 计 制 造管 理 创 新 体 系
14、标 准 化 PLM 知 识 管 理ERP数 字 化 管 理战 略 发 展决 策 支 持数 据 库 数 据 挖 掘 系 统网 络 体 系MES CAQ协 同 工 作 信 息 平 台信 息行业电子商务电子商务信 息技 术 创 新 管 理 创 新PLM/知 识 管 理发 动 机 战 略 发 展决 策 支 持数 据 库 /数 据 挖 掘 系 统网 络 体 系异 地 协 同 工 作 平 台行业电子商务安全体系标准体系数 字 化快 速 研制 体 系数 字 化精 益 制造 体 系数 字 化服 务 保障 体 系技 术 创 新 体 系数 字 化数 字 化设 计 制 造设 计 制 造管 理 创 新 体 系标 准
15、化 知 识 管 理数 字 化 管 理数 字 化 管 理战 略 发 展决 策 支 持数 据 库 数 据 挖 掘 系 统网 络 体 系协 同 工 作 信 息 平 台信 息行业电子商务电子商务信 息技 术 创 新 管 理 创 新知 识 管 理发 动 机 战 略 发 展决 策 支 持数 据 库 数 据 挖 掘 系 统网 络 体 系异 地 协 同 工 作 平 台行业电子商务安全体系标准体系数 字 化快 速 研制 体 系数 字 化精 益 制造 体 系数 字 化服 务 保障 体 系- 5 -高，缩短研制周期，通过异地协同与并行工程，不断推进数字化环境中完成发动机产品快速设计与制造。数字化精益制造体系：依据精
16、益思想，开展面向特征的数字化设计、制造、管理技术；建立数字化设计、制造、仿真、检测、质量控制系统、企业资源计划、制造执行系统、建立工程制造资源数据库，建立发动机数字化精益制造体系。 数字化服务保障体系：建立外场服务虚拟专网，建立覆盖发动机行业及用户的外场服务保障系统和外场服务信息管理平台。建立发动机电子手册，保证发动机技术手册和其他资料的正确性、规范性及版本实施有效控制。建立信息交换机制，实现专业设计单位与企业，企业与集团内部与外部的信息交换。逐步建立在线技术资料系统，备件订购系统，使用培训系统，使用、维护信息的反馈系统，排故维修信息系统等服务系统，为用户提供统一服务门户，进行故障分析、网络支
17、持、电子资料等内容的网上服务。在加大发动机数字化工程体系建设的同时采用产、学、研相结合的模式结合注重集成技术研究，结合发动机专业技术研究与精益管理、6sigam 等相关技术，在行业内的并行、快速推进应用以 CAD/CAE/CAPP/CAM/CAT/PDM及 MRP/MES/CAQ/PM等信息技术全面提升发动机行业整体数字化应用水平。总之，以数字化为基本特征的新军事变革对发动机制造业提出了更高的要求，数字化工程已成为支发动机发展的重要手段，通过行业的共同努力，我们可以预见发动机研发部门、生产企业、客户之间协同设计、网络制造、信息共享、电子服务将成为现实。以物理样机、模拟量传递为主向以数字样机、数
18、字量传递为主的技术与管理体系转变；以自成体系、相对封闭的生产供应体系向开放、协调、敏捷的研发、生产和服务体系转变；以基于经验的管理模式向面向过程的科学管理模式转变将给发动机行业带来一个更加美好的明天。参考文献：1中国信息化2CAD/CAM 与制造业信息化3虚拟制造丁凯，1961 年出生，大学本科学历，中共党员，研究员级高级- 6 -工程师，现任中国航空工业第一集团公司西安航空动力控制有限责任公司（西安一一三厂）董事长。2000 年荣获陕西优秀青年企业家称号；2001 年成为航空工业企业管理协会理事、中国管理科学研究院企业管理创新研究所高级研究员；2002 年获得霍尼威尔绿带证书、中国一航和 GE公司 6西格玛领航员资格；2003 年获得第十届国家级管理现代化创新成果二等奖；2004 年被国防技术基础杂志聘任为理事，同年获得网通新闻人物称号。
