基于数字化工程环境的复杂产品研制管理优化

In view of the multilevel characteristic of complex product R&D stages and from the three aspects of design, manufacturing and security in different R&D stages under the digital engineering environment, this research, by employing the cyber physical technology, multidisciplinary collaborative modeling technology and the Bayes degradation algorithm, and analyzing the complex relationship between people, objects and information, studies key scientific problems such as the adjustment strategy and optimization mechanism in virtual prototype design based on the PSO-GA multi-objective optimization model, analysis of manufacturing process modeling optimization and technical condition management mechanism, as well as feature extraction of product fault diagnosis and life prediction based on the Bayes degradation model. And a theoretical method system is established for complex product R&D process management optimization under the digital engineering environment. Combined with the R&D process management in the fields of national defense and space, application research is carried out to verify the validity and feasibility of the theoretical method. Theoretically, results of this research can extend the application scope of digital transformation of complex product R&D, solve the optimization problem in the multi-stage life cycle product R&D process, and provide feasible ideas, methods and means in practice for selecting, scheduling and control in complex product R&D under the dynamic environment.

本课题针对复杂产品研制阶段的多层次性等特点，围绕在数字化工程环境下各研制阶段设计、制造、保障三个层面，运用信息物理融合技术、多学科领域协同建模技术以及贝叶斯退化算法，通过人、物、信息复杂关系分析，研究基于PSO-GA多目标优化模型的虚拟样机设计阶段的调整策略与优化机制，制造工艺建模优化与技术状态管理机制分析，基于贝叶斯退化模型产品故障诊断与寿命预测的特征提取方法等关键科学问题，建立数字化工程环境下复杂产品研制过程优化管理理论方法体系，并结合国防和航天领域的研制过程管理开展应用研究，验证理论方法的有效性和可行性。本项目的研究成果在理论上能扩展复杂产品研制数字化转型的应用范畴，丰富多阶段、全生命周期研制过程中优化问题，在实践上能够为动态环境下复杂型号研制的选择、调度和控制提供可行的思路、方法和手段。

本课题以航天制造领域广泛存在的复杂产品为研究对象，首先通过对元模型、建模方法以及多学科建模过程进行研究与分析，将多学科优化设计与元模型建模方法相结合，建立了复杂产品的虚拟样机元模型，并构建了元模型与学科元模型的转换关系，形成了复杂产品虚拟样机多学科建模优化设计方案，通过多次迭代优化，实现了复杂产品系统的功能仿真。其次通过借鉴高置信度的试验系统、试验数据等开展能力模型的迭代修正，以某航天型号产品为研究对象，构建了数字孪生系统模型，经过反复迭代与优化，获得了可以支持装备体系效能评估及优化的数字孪生模型。基于数字化环境特点，构建复杂产品管理及技术状态管理总体架构，并设计基于工艺虚拟样机的技术状态数据管理方法，对技术状态管理中的分项目实施进行多次试验迭代与验证，最终实现对某型号航天产品的工艺总装技术状态数据的有效管理与及时反馈。最后将课题研究成果在某型号产品的设计、研制、生产加工制造以及故障检测等阶段进行实践与应用，为动态环境中复杂产品全生命周期的研制提供了重要的理论与支撑作用。同时在本课题研究的过程中获得航天科工集团有限公司“数字主线与数字孪生应用研究”、“基于数字孪生的导弹武器全生命周期工程模式研究”两项重大自主创新项目。