1 引言
进入二十一世纪以来，数字样机技术在航空航天及其它工程领域的应用迅猛发展，驱使传统复杂产品研发进入一个新的发展领域。国内尤其在航空工业领域，数字样机技术的发展和应用日趋成熟，在多个飞机型号的产品研制中，已成功应用数字样机取代传统实物样机，大大缩短了研制周期，减少了研制成本。近些年来，随着计算机建模技术、基于PDM的产品数据管理技术、多学科协同设计技术等数字化产品研制新技术在航天工业领域的广泛应用，航天产品数字样机的发展初见端倪，但对于其概念理解尚未统一；除此以外，航天产品数字样机的研究和应用也主要局限于结构产品，无法满足航天产品复杂大系统研制的需要。
随着计算机建模技术、计算机仿真分析技术、网络技术、并行协同技术等的不断发展，数字化技术在航天产品工程领域的应用陆续展开。近年来，各航天院所陆续开展了基于三维模型的结构设计、仿真分析、虚拟装配验证等设计制造工作，数字化技术在航天型号产品研制中的应用成效显著，但仍存在以下几方面问题：
1)应用范围小
目前的数字化技术主要应用于航天产品结构专业设计和验证过程中。通过应用数字化建模及分析工具，在产品主要设计部门，逐渐实现了基于三维模型的结构设计，并且由基于二维图纸的工程发放向“三维模型下厂”的模式转变。电子电气系统设计初步采用数字化工具，尚未完全实现其与结构设计的协同开展；软件产品的设计验证尚未开展数字样机的应用，更多的依赖于基于实物样机的试验验证，开发周期长，质量难以保证。
2)协同性差
目前在产品研制各阶段、各专业已不同程度的实现了数字化技术的应用，并生成大量不同的产品数字化模型，然而，不同专业间的数字化模型难以实现信息共享，尚不能实现基于单一模型的多专业间协同设计。
3)缺乏管控措施
产品各研制单位基于PDM系统进行产品数据管理，主要侧重于产品技术状态管理，具体内容多为产品设计文件和研试文件，部分将三维模型作为附件依附于技术文件，作为产品技术状态描述载体，尚未将数字模型技术状态管理纳入产品数据管理的范畴，使得数字样机质量难以的保证。随着数字化产品设计、验证、制造技术的深入应用，数字化技术在产品设计、制造、售后保障等全寿命周期中的应用日趋增多，有必要将数字模型作为产品数据的一部分加以规范管理。
航天工业领域对数字样机的研究工作已开展多年，各单位对其概念的认识和理解受数字化技术应用水平、实际产品特点和企业管理模式影响，存在一定的差异，尚未形成统一标准，这也使得相较于领先的数字化技术应用水平，对于数字样机的技术状态管理模式相对落后，进而造成跨单位、跨专业的基于数字样机的产品研制工作难以开展。
本文以运载器产品研制为对象，以其可行性分析与方案设计、初样、试样和定型四个研制阶段为主线，结合系统工程研制方法，开展运载器数字样机定义和分类研究。本研究充分考虑航天产品的共性特点，具备航天工业领域内的可推广性。
2 航天产品数字样机应用模式
应用数字样机的根本目的有两点：第一，通过先进的计算机建模技术，构建数字化条件下的产品模型，该模型反映与实际产品一致的构造、功能和性能信息，基于该数字化模型，在产品设计初期开展必要的设计验证，发现设计缺陷，优化设计方案，从而保证设计质量，减少设计周期；第二，将传统设计模式下，必须基于物理样机开展的分析验证工作由基于数字样机的虚拟验证取代，减少甚至完全取消设计验证阶段物理样机的生产。
以系统工程为基础，中国航天领域经过不断创新、实践和完善，逐步形成了具有自身特色的传统航天型号产品开发模型，这一模型，以用户要求为起点，描述了系统从要求分析到系统验证的闭环过程，通常被称为航天产品开发“v”字模型。
从该“V”字模型理解，航天产品研制过程可以理解为“自顶向下的设计”和“自底向上的集成”的过程，前者是指依据用户要求，进行产品方案设计，并按照“总体一系统一分系统一单机”的“自顶向下”的过程进行产品技术指标分解和下发，各级参研单位将上游下发的技术指标要求作为设计工作的输入和依据，开展研制工作；后者是指在下游参研单位确保其设计结果满足上游提出的技术指标要求的前提下，“自底向上”逐级提交并集成相应设计结果，进行产品集成验证及设计优化。
数字样机在上述航天产品开发过程中的应用重点为：①作为产品技术指标和设计参数的载体：传统研制模式下，产品技术指标和设计参数的主要表现形式为研试文件和设计文件，应用数字样机将相关产品信息通过更加直观、形象的模型表现，提高了设计和分析手段；② 作为产品数字化新型验证模式的工具：应用先进的数字化仿真分析工具，基于数字样机进行产品结构、功能和性能等特性的验证和优化，将传统的基于物理样机的试验验证逐渐向数字化验证转变，缩短研制周期，减少开发成本。
3 航天产品数字样机定义
国内各行业对于数字样机的理解和定义受产品属性约束，具有较大差异。航空行业标准(HB7757—2005飞机数字样机通用要求》中给出的数字样机定义为：“产品整机或系统等数字化描述。面向产品从概念设计到售后服务的全生命周期，可分别用于工程设计、工程分析，如：干涉检查、运动分析、拆装模拟、加工制造和维护检测等过程。”国家标准《GB／T26100—2010机械产品数字样机通用要求》中给出如下机械产品数字样机定义：“对机械产品整机或具有独立功能的子系统的数字化描述，这种描述不仅反映了产品的几何属性，还至少在某一领域反映了产品的功能和性能特性。产品的数字样机形成与产品设计阶段，可应用于产品全生命周期，这包括：工程设计、制造、装配、检验、销售、使用、售后、回收等环节；数字样机在功能上可以实现产品干涉检查、运动分析、性能模拟、加工制造模拟、培训宣传和维修规划等方面。”
国标给出的数字样机定义主要面向结构设计专业，对本文研究有一定指导意义，但对于航天产品这类集结构、电气、软件等多专业于一体的复杂系统而言，是远远不够的；航空产品具有与航天产品相同的多学科融合性和复杂性，且同样采用系统工程的研制方法，具有较高的可借鉴性。
本文认为，航天产品数字样机的认识应以结构类产品为基础，兼顾电子类产品、软件类产品研制新需求。以目前模式下产品和工作特点为依据，并本着指导航天产品数字化研制新模式探索的原则，本文给出航天产品数字样机定义如下：
航天产品数字样机是指应用数字化方法和工具，对航天产品整机、分系统或单机产品加以数字化描述并建模而形成的数字化模型的集合。数字样机应反映产品的构造、功能和性能等全属性特性，其具体表现形式包括具有直观可视性的二维或三维产品仿真模型，也包括抽象的数学模型，其应用面向从概念设计到售后服务的产品全生命周期，包括产品可行性分析、方案设计、工程研制和验证、售后综合保障性设计、售后培训等过程。
航天产品数字样机应具备三大技术特点：①真实性：反映与实际产品一致的产品构造、功能和性能属性；② 面向航天产品论证／工程研制／售后等全生命周期；③ 多学科交叉性：构建过程充分考虑航天产品涉及的结构、电子、控制、流体和液压等多学科构成要素。
航天产品数字样机是为了优化产品研制模式而提出的数字化手段，其设计过程可从以下三方面理解：① 设计输人：数字样机的构建的初始化条件，包括设计约束、设计指标要求等，如用户提出的产品使用需求、上游设计下发的设计指标要求、产品功能设计要求等；② 承载的研制任务：即数字样机的具体应用，如产品功能设计、性能仿真分析及优化、工艺设计及分析、虚拟模装等，对于不同产品，或同一产品的不同阶段而言，同一数字样机可能承载完全不同的研制任务；③设计输出：基于数字样机的研制工作所得到的最终成果，包括产品功能参数、性能参数、构造参数等，数字样机的设计输出应与设计输入对应，确保输出参数满足提出的设计指标要求。
4 航天产品数字样机分类
按照航天产品数字样机构建的目的、构成要素的差异，分为功能样机、性能样机和构造样机，其各自的含义如下：
1)功能样机：在产品研制的某一阶段，针对产品一个或多个功能特性的设计与验证，将必要的产品本身的构成要素加以数字化描述，并以二维图、三维模型或数学模型等多种方式加以具象表达的数字样机。功能样机是产品设计的起点，其设计输人一般为产品研制任务书。通过功能样机的构建，最终在数字化条件下，实现产品“从无到有”的设计与验证。
2)性能样机：在产品的功能设计完成之后，针对其一个或多个性能特性，以产品研制任务书中提出的性能指标要求为依据，应用先进的计算机仿真建模技术，对产品相关构成要素和虚拟验证环境加以数字化建模而形成的数字样机，用于在数字化条件下，验证产品主要性能指标是否满足预期要求，为产品的优化和完善提供参考信息。性能样机应包含两部分内容：产品功能模型和虚拟验证环境模型，即在功能样机构建完成的前提下，通过虚拟建模技术，构建面向某一或某些性能特性分析的虚拟验证环境(如电磁环境、力学环境、热环境、虚拟工艺环境等)，对产品的设计指标进行进一步的分析和优化。
3)构造样机：面向物理样机生产的产品数字化定义，构造样机的构建即产品(Digital Product Definition，DPD)过程。完整的构造样机应包含反映真实产品结构的全构造要素，包括零部件的几何参数、精度参数、材料参数、管理参数、工艺参数等；整机或组件的装配参数、部件相对位置关系、装配精度、装配方法等。构造样机的构建必须在基于功能样机和性能样机进行的设计验证均以完成，需要进行物理样机的生产之前，也就是说，如果某一研制阶段无需涉及物理样机的生产，则该阶段可不进行构造样机的构建和应用。
按照航天产品的研制阶段分类，以运载器为例，其各研制阶段包括可行性与方案设计阶段、初样阶段、试样阶段定型阶段，将其数字样机分为一级样机、二级样机、三级样机和四级样机，其中“级”的本质是产品成熟度的概念。在各阶段样机(各级样机)中，又包括功能样机、性能样机和构造样机，结合图2对该分类方案加以阐述。
如图2所示：横坐标对应运载器产品研制各阶段，即方案、初样、试样和定型阶段；纵坐标对应特定阶段中样机构建的先后顺序和内容，自底向上分别对应功能样机、性能样机、构造样机和物理样机。
对于功能样机和性能样机，定义一级、二级、三级和四级样机分别对应于方案、初样、试样和定型阶段，其分级本质上是产品设计成熟度的不断完善，设计指标的不断优化，系统成熟度的不断提升；对于构造样机，其分级定义面向物理样机的生产，并产生于某一特定研制阶段中，也就是说，如果在某一研制阶段中不存在物理样机的生产，则该阶段内不进行构造样机的构建。
功能、性能和构造样机的构建和应用为串联关系：功能样机应用于产品的设计和功能验证，解决产品“从无到有”的问题；性能样机在产品功能设计完成的基础上对其性能特性进行验证，确保其满足性能指标研制要求；构造样机用于将设计参数转化为可用于指导实物生产的制造信息。对于不同研制阶段的数字样机而言，其构造样机的构建目的、构成要素和构建过程是一样的，只是对应生产的物理样机有所差异；而功能样机和性能样机在构成要素上存在较大差异，因为各阶段研制任务和内容有较大差异。
如图2中所示，当某一阶段生产的物理样机设计指标满足要求后，即可进行设计转阶段，进行下一阶段产品的设计。需要指出的是，物理样机生产的目的是通过基于该样机的地面试验、飞行试验进一步验证产品设计的成熟度，随着计算机仿真分析能力的不断提高，许多基于物理样机的验证试验已经逐步被功能、性能样机所取代，也就是说，如果数字化分析验证的可靠性满足研制需求，完全有能力取消某些研制阶段中物理样机的生产。反映在图2中，即如“点划线”所示：若基于性能样机的分析验证结果与物理样机相同，则可以取消该阶段构造样机的构建(也就是取消了该阶段物理样机的生产)，直接将其作为转阶段的依据。
本文认为，航天产品各阶段划分虽略有差异，但对于本文提出的分类方案均适用，只需以此为依据，依据具体的产品特点(阶段划分、各阶段工作内容和指标要求等)进行适当改进即可。
5 定义及分类方案应用
航天产品数字样机在建模和管理过程中，首先依据产品研制阶段、数字样机构建目的、功能参数输入、性能指标要求等对其进行定义和分类，如用于试样阶段飞行试验的运载器产品制造的数字样机为三级构造样机。以该阶段工作要求、该样机的技术指标要求为依据，确定模型的构建要求、步骤和验收指标等。
在此基础上，开展数字样机的建模、分析验证、数据管理等工作，该过程中，以样机的技术指标要求为依据，开展技术状态标识、审核、更改和纪实等管理工作。
由于在数字样机的构建之前，便以定义和分类的方式对其应用目的、工作内容和验收指标进行了“量化”，使得后续工作“有法可依、有章可循”。此外，各单位遵循同样的定义和分类方案，使得跨单位的模型可传递性和可用性大大提高，有助于提高协同研制效率。
6 总结
航天产品数字样机技术的应用要早于研究，因此，各航天院所虽然普遍采用了数字化技术开展产品设计制造工作，但对于数字样机的理解，尤其在基于数字样机的协同方面，存在较大的差异，这也严重制约了数字样机技术的深入应用和推广。本文以运载器产品为对象，结合航天产品基于系统工程的研制模式和特点，提出一种运载器产品数字样机的定义和分类方案，该方案中，按照运载器研制的四个阶段，将其分为一级、二级、三级和四级样机；按照数字样机应用目的分为功能、性能和构造样机。简要介绍了本方案在航天产品数字化研制中的应用场景。本文研究充分考虑了不同种类航天产品开发的共性，具有较高的适用性和可行性。
(审核编辑: 智汇小新)
