? 民用飞机维修性并行设计体系研究 民用飞机维修性并行设计体系研究
李乃鑫1，陆 中1，周 伽2
(1. 南京航空航天大学民航学院, 江苏 南京 211106) (2.东方航空江苏有限公司飞机维修部, 江苏 南京 211113)
摘要：对民用飞机维修性并行设计框架体系进行全面系统研究。首先阐述并行工程的基本内涵；其次深入研究民用飞机维修性并行设计过程，明确民机研制各阶段维修性设计的具体环节与相应工作；再次提出基于微循环理论的民用飞机维修性工作的并行化方法，阐明维修性设计各环节之间以及维修性设计与产品设计其他方面之间的信息交互关系；然后深入研究民机维修性并行设计团队的工作模式，分析并确定维修性并行设计团队的人员组成，提出维修性并行设计的协同工作模式。最后结合某型飞机前起落架系统给出了维修性并行设计实例。
关键词：民航飞机；并行设计；维修性设计；维修性验证
随着时代的变化与发展，当代企业为自身发展及迎合客户需求，在加快新产品上市时间T、改善产品质量Q、降低产品成本C以及完善售前售后服务S(简称为TQCS)方面提出了更高的要求。为了达到这个目的，在设计阶段就必须全面考虑产品生命周期各个阶段的需求，确保产品具有良好的可制造性、可装配性、可拆卸性、可维护性及回收再利用等方面的能力，在此背景下，并行设计的理念与并行工程的思想应运而生[1]。将维修性设计纳入并行工程的框架体系，集成与产品维修性相关的各种信息，并行地、集成地开展维修性设计工作具有重要的意义。
1 民机维修性并行设计过程研究
1.1 传统的维修性工作过程
传统模式下的维修性工作是一种串行过程，即在工程研制的后期基于物理样机对论证阶段提出的维修性指标进行评估与验证，如图1所示。
图1 维修性序贯设计
在这种模式下，在方案设计与工程研制过程中
没有贯彻维修性设计相关要求，维修性分析的结果往往是设计方案的维修性参数不能达到论证阶段确定的各项指标，但此时产品设计已经定型，更改设计将花费巨大代价，最终的结果往往是将就了事，从而导致产品的维修性较差。
1.2 维修性并行设计过程
并行工程一般定义为“对产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)进行并行、集成设计的系统化方法和综合技术”[2]。并行工程要求产品开发人员在产品研发的初始阶段就综合考虑到产品全生命周期内各阶段的因素，并强调各部门的协同工作，通过建立各决策者之间有效的信息交流与共享机制，使后续环节中可能出现的问题在设计的早期阶段就能够被发现并得到解决。因此并行工程能够较大程度地保证设计出的产品具有良好的可制造性、可装配性、可维护性及回收再生等特性，从而最大限度地减少设计更改、缩短产品开发周期、降低产品研发成本。
1.2.1 面向并行工程的维修性设计工作分析
依据并行工程的公理化设计理论[3]，产品的维修性设计过程可划分为维修性需求分析、确定维修性要求、系统维修性分析、维修性属性设计与试验评定3个部分，如图2所示。图2中各部分分别与产品生命周期的需求分析、指标论证、方案设计、工程研制4个阶段基本对应。其中，维修性设计的主要工作集中在确定维修性要求、系统维修性分析、维修性属性设计与试验评定3个阶段。
图2 维修性设计的四部分
1)确定维修性要求。
维修性指标是后续工作中开展维修性设计分析的目标与依据，对民用飞机而言，维修性指标的确定包括如下工作内容：
①维修性参数的选用。
民用飞机的维修参数除了平均修复时间、平均维修时间等常用参数外，还包括每飞行小时维修工时、每飞行小时直接维修费用、发动机更换时间等特有参数。
②参数指标的确定。
参数指标的确定包括目标值的确定、门限值的确定、规定值的确定、最低可接受值的确定等。
③维修性定性要求分析。
维修性常见的定性要求包括可达性、标准化、互换性、防差错性、可测试性、人机工效要求等。
2)系统维修性分析。
系统维修性分析的目的是为组成民机的系统、子系统、可更换单元等各层次确定维修性要求，并初步分析评估设计方案能否满足相应要求。系统维修性分析包括维修性建模、维修性分配、维修性预计以及维修性分析与综合权衡等工作。
①维修性建模。
维修性模型是对系统和设备进行维修性分配、预计与评定的基础。建立维修性模型时，应考虑设计特征、维修级别及保障条件、维修性合同参数和使用参数关系等因素。
②维修性分配。
维修性分配的目的是将高层次定量要求分配给各低层次的系统或设备，以便在各层次上分别开展维修性设计工作。维修性分配常用方法包括故障率分配法、可用度分配法、加权分配法与相似产品分配法等。
③维修性预计。
维修性预计的目的是估计系统、分系统或设备的维修性，确定所提出的设计在规定的产品支援条件下，能否达到规定的维修性要求。
④维修性分析。
维修性分析的主要任务是获取各种维修性信息，为建立维修性设计准则、做出设计决策创造条件，向维修保障计划提供输入，并证实设计符合维修性要求。维修性分析涉及到故障模式及影响分析、费用分析、风险分析等方面，同样维修性分析也需要随着设计过程不断完善。
3)维修性属性设计与试验评定。
①维修性属性设计。
维修性属性设计是指依据维修性设计准则对系统各层次分别进行维修性设计。进行维修性属性设计时，一般应考虑下列准则的要求：
a.简化设计准则；
b.可达性设计准则；
c.标准化、互换性与模块化设计准则；
d.防差错设计准则；
e.维修安全性准则；
f.检测与诊断准则(测试性)；
g.人机工效准则。
②维修性试验与评定。
维修性试验与评定能够鉴别有关维修性的设计缺陷，使维修性不断增长，并验证产品的维修性是否满足规定要求。
维修性试验与评定一般包括维修性核查、维修性验证与维修性评价3项活动。维修性核查贯穿于整个研制过程之中的维修性试验与评定工作，通过维修性核查可以鉴别设计缺陷，以便采取措施纠正，使得维修性不断增长。维修性验证是指为了确定产品是否达到规定的维修性要求而进行的试验与评定工作。维修性验证一般在设计定型阶段进行，目的是全面考核产品是否达到维修性要求。维修性评价是为了确定产品实际使用、维修和保障条件下的维修性所进行的试验与评定工作，通常在产品投入使用后进行，能够为产品的改型设计或者新产品的设计提供信息。
1.2.2 维修性工作的并行化
维修性并行设计强调维修性设计各环节的并行，是在充分细分各种活动的基础上，找出各活动之间的逻辑关系，将满足条件的设计活动进行并行与交叉[4]。实现维修性设计各活动的并行化的基本途径有两条：一是将维修性设计的工作与任务细分为多项子任务；二是尽早开始工作。
1)子任务的并行。
按产品组成部分划分设计任务是较为常用的子任务划分方法，对于民用飞机的维修性设计，可按系统、子系统等分层次确定设计子任务，如民用飞机的维修性设计可划分为起落架系统维修性设计、电子设备舱维修性设计、动力装置维修性设计等子任务，起落架系统的维修性设计又可以划分为前起落架维修性设计、主起落架维修性设计、起落架收放系统维修性设计等子任务。
对于每一子任务，可视为一个包含确定维修性要求、系统维修性分析、维修性属性设计与试验评定等所有维修性设计环节的微循环，民用飞机的维修性设计过程将是一个由n个微循环组成的体系。从宏观上看各微循环之间相互并行，从微观上看各微循环内部仍然符合设计的基本逻辑与顺序。这种宏观上并行、微观上顺序的设计体系，使得设计人员可以同时工作于多项子任务，从而达到缩短设计周期的目的[4]。
用微循环模型描述的民用飞机维修性设计过程如图3所示。图中每一个微循环可以在子任务分析的基础上进一步细分为相应的子微循环。
图3 民用飞机维修性设计过程的微循环描述
2)尽早开始工作。
尽早开始工作必须以维修性设计活动的需求信息分析为基础。通过需求信息分析，确定开展各项维修性设计活动的基本信息，以支持维修性设计中各项活动的尽早开展。维修性设计活动的并行体现在方案设计与工程研制阶段的系统维修性分析、维修性属性设计以及维修性试验与评定等活动之中，只要具备分析所需信息，即可开展相应的工作。
图4描述了维修性设计各环节之间及其与产品设计其他方面的信息交互关系。
图4 维修性设计活动的信息交互
如图所示，维修性设计各项活动的需求信息，一部分来源于该活动之前的各项维修性设计活动，更多的信息则来源于产品设计的其他方面，其中与维修性设计关系较为密切的包括数字样机开发、可靠性设计与分析、产品支援设计、维修工程等方面。图中，LORA、FMECA、RCMA与MTA分别表示修理级别分析、故障模式影响及危害性分析、以可靠性为中心的维修分析与维修工作分析；虚线框中的产品设计活动不属于维修性设计本身的范畴，但是为维修性设计提供了必要的输入信息。
2 民用飞机维修性并行设计工作模式研究
2.1 维修性并行设计团队的组成
维修性的并行设计不能仅依靠维修性工程师来实现，而应将维修性工程师融入人员集成的产品开发团队之中，建立包含多学科的维修性并行设计团队，以便相关设计人员之间无障碍地沟通与交流，支持维修性设计各项活动的并行开展。
民机的维修性并行设计需要研制、生产制造、使用维护等纵向过程各阶段以及产品的性能、可靠性、维修性、产品支援、安全性等横向领域各方面的专家与技术员的协调合作。对于民用飞机，维修性并行设计团队通常应包括下列人员：维修性工程师、总体设计人员、系统设计人员、制造生产工程师、可靠性工程师、产品支援工程师、维修工程师、管理和控制工程师。
2.2 维修性并行设计团队的工作模式
维修性并行设计团队开展工作时，应当按照给定的维修性并行设计工作流程来实现产品良好的维修性，设计过程中要考虑维修性设计的所有影响因素，对与维修性设计相关的其他环节加强控制与监督，定期组织团队会议，实施信息发布制度，使得团队成员能够及时沟通交流、把握设计过程与状态，以便做出正确的决策。
在维修性并行工作团队中，维修性并行设计过程中的各项活动都应当由维修性工程师负责或协调完成。由于飞机及系统最终的方案将由设计人员来完成，因此总体设计人员和系统设计人员同样发挥着极为重要的作用，其主要工作职责是对维修性设计工程师的意见与建议进行及时分析反馈，并对设计方案做出决策。可靠性工程师、产品支援工程师、维修工程师的主要作用是为维修性工程师提供维修性设计各项活动所需信息，以便各项活动及早开展。管理和控制工程师在维修性并行设计团队中主要作用是制定维修性工作计划，监督计划的执行情况，对系统供应商进行控制与管理，这些工作同样需要维修性工程师、系统设计师等来协作完成。
图5为维修性并行工作团队的工作模式示意图。图中，维修性工程师、系统设计人员、总体设计人员处于中心位置，维修性设计的主要环节将由他们来完成。制造生产工程师、可靠性工程师、保障性工程师、维修工程师、管理和控制工程师等主要是为维修性设计提供服务与支持，提出维修性设计的相关要求、提供设计输入信息、制定工作计划等工作主要由他们完成。
图5 维修性并行设计团队工作模式
3 某型飞机起落架系统维修性并行设计实例
某民用飞机起落架系统由一台前起落架以及两台主起落架组成，将前起落架与两台主起落架均视为该起落架系统的子系统，则该起落架系统的维修性并行设计包括前起落架维修性设计以及两台主起落架维修性设计3项子任务，每一子任务均可视为图3所示的微循环。为不失一般性，本节将以前起落架系统为例给出维修性并行设计过程。
1)前起落架系统维修性要求。
选取平均修复时间(MTTR)为该前起落架系统的维修性定量参数，其指标值为30min。该系统的维修性定性要求(设计属性)如图6所示[5]。
图6 前起落架系统维修性定性要求
2)前起落架系统维修性分析。
MTTR为本例中的维修性参数，与其相对应的维修性模型为[6]。
(1)
式中：λi为第i个维修事件的故障率；
为第i个维修事件的平均修复时间，每一维修事件对应于组成系统的航线可更换单元(LRU)。
基于式(1)可开展维修性预计、分配与分析等工作。该前起落架系统的各LRU及相关可靠性、维修性信息见表1。
表1 前起落架系统LRU可靠性与维修性信息
LRU数量故障率/(10-6h)平均更换时间/min缓冲支柱154.9093.95阻力杆114.8661.07锁杆117.5930.46下位锁弹簧23.5115.07收放作动筒117.1128.25锁杆作动筒115.5224.73机轮2189427.40前后舱门连杆420.1519.03
由式(1)可求得系统平均修复时间为22.57min，符合民机外场平均修复时间必须小于30min的要求。若各LUR更换时间未知，可依据式(1)进行维修性分配工作。
通过维修性分析可知，在所有LRU中，机轮故障率是最高的，且远大于其他LRU，因此在系统平均修复时间中占的比重也最大。要提高该前起落架系统维修性，可着重考虑改善机轮的可拆卸性，对其采用可达性、模块化、标准化、简化设计等维修性设计方法，以缩短机轮更换时间。
3)前起落架系统维修性属性分析与试验评定。
本文将基于前起落架系统数字样机(如图7所示)，针对图6所示的维修性各属性开展分析工作。
图7 前起落架系统数字样机
在上述各属性中，可达性与人机工效属性与某一维修任务的维修作业过程密切相关，本文将通过在数字化环境中开展虚拟维修作业仿真对其进行分析[7]。以机轮拆卸为例，其虚拟作业仿真过程如图8所示。
图8 机轮虚拟拆卸过程
通过开展维修作业虚拟仿真，可以评估维修作业中的可视性、工具可达性以及人体舒适性，为设计改进提供依据。在机轮拆卸过程中，发现联接件拆除的工作负荷较大，建议改进设计。
除了可达性与人机工效外的其他设计属性与整个系统的设计特性相关，因此将利用维修性核对表对其进行评估，结果发现起落架舱门的简化设计 特性较差，建议将四舱门改为两舱门，同时减少舱门连杆数量。
完成维修性各属性的评估后，必须针对相应问题进行设计改进。本文基于数字样机进行评估，能够支持设计的快速更改，有利于维修性并行设计过程的实现。
4 结束语
本文所提出的民用飞机维修性并行设计框架体系具有较强的实用性，对民机的维修性设计提供了一定的技术支持。但目前仅是通过简单的实例证明了该理论方法的可行性，要真正在实践中体现其价值，还需要在实际工程中收集相关数据资料，进行进一步的分析研究。
参考文献：
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[6] 于永利，朱小冬，郝建平，等．维修性系统维修性建模理论与方法[M]．北京：国防工业出版社，2007.
[7] LU Z，ZHOU J，LI N．Maintainability fuzzy evaluation based on maintenance task virtual simulation for aircraft system[J]．Eksploatacja i Niezawodnosc- Maintenance and Reliability，2015，17(4)：504-512.
Research on the concurrent design system for maintainability of civil aircraft
LI Naixin1, LU Zhong1, ZHOU Jia2
(1.College of Civil Aviation, Nanjing University ofAeronautics and Astronautics, Jiangsu Nanjing, 211106, China) (2.Department of Aircraft Maintenance,China Eastern Airlines Jiangsu Ltd. Co., Jiangsu Nanjing, 211113, China)
Abstract：The maintainability concurrent design framework for civil aircraft is studied. Firstly the basic connotation of concurrent engineering is expounded, the process of maintainability concurrent design is analyzed and the specific design steps and related work are determined. Then the concurrent method of maintainability work is proposed based on micro-design-cycle theory, and the relationships among different information related to maintainability design are described. And the cooperative work mode of maintainability concurrent design team is presented and the group numbers are determined. Finally, an application instance of maintainability concurrent design is given in terms of a certain type of nose landing gear system.
Key words：civil aircraft; concurrent design; maintainability design; maintainability verification
DOI：10.3969/j.issn.2095-509X.2016.11.016
收稿日期：2016-02-23
基金项目：国家自然科学基金资助项目(61403192)；中央高校基本科研业务费资助项目(NS2011008)
作者简介：李乃鑫(1990—)，男，山西太原人，南京航空航天大学硕士研究生，主要研究方向为航空器系统工程。
中图分类号：V37;TH
文献标志码：A
文章编号：X(2016)11-0077-05
? 民用飞机维修性并行设计体系研究 民用飞机维修性并行设计体系研究
李乃鑫1，陆 中1，周 伽2
(1. 南京航空航天大学民航学院, 江苏 南京 211106) (2.东方航空江苏有限公司飞机维修部, 江苏 南京 211113)
摘要：对民用飞机维修性并行设计框架体系进行全面系统研究。首先阐述并行工程的基本内涵；其次深入研究民用飞机维修性并行设计过程，明确民机研制各阶段维修性设计的具体环节与相应工作；再次提出基于微循环理论的民用飞机维修性工作的并行化方法，阐明维修性设计各环节之间以及维修性设计与产品设计其他方面之间的信息交互关系；然后深入研究民机维修性并行设计团队的工作模式，分析并确定维修性并行设计团队的人员组成，提出维修性并行设计的协同工作模式。最后结合某型飞机前起落架系统给出了维修性并行设计实例。
关键词：民航飞机；并行设计；维修性设计；维修性验证
随着时代的变化与发展，当代企业为自身发展及迎合客户需求，在加快新产品上市时间T、改善产品质量Q、降低产品成本C以及完善售前售后服务S(简称为TQCS)方面提出了更高的要求。为了达到这个目的，在设计阶段就必须全面考虑产品生命周期各个阶段的需求，确保产品具有良好的可制造性、可装配性、可拆卸性、可维护性及回收再利用等方面的能力，在此背景下，并行设计的理念与并行工程的思想应运而生[1]。将维修性设计纳入并行工程的框架体系，集成与产品维修性相关的各种信息，并行地、集成地开展维修性设计工作具有重要的意义。
1 民机维修性并行设计过程研究
1.1 传统的维修性工作过程
传统模式下的维修性工作是一种串行过程，即在工程研制的后期基于物理样机对论证阶段提出的维修性指标进行评估与验证，如图1所示。
图1 维修性序贯设计
在这种模式下，在方案设计与工程研制过程中
没有贯彻维修性设计相关要求，维修性分析的结果往往是设计方案的维修性参数不能达到论证阶段确定的各项指标，但此时产品设计已经定型，更改设计将花费巨大代价，最终的结果往往是将就了事，从而导致产品的维修性较差。
1.2 维修性并行设计过程
并行工程一般定义为“对产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)进行并行、集成设计的系统化方法和综合技术”[2]。并行工程要求产品开发人员在产品研发的初始阶段就综合考虑到产品全生命周期内各阶段的因素，并强调各部门的协同工作，通过建立各决策者之间有效的信息交流与共享机制，使后续环节中可能出现的问题在设计的早期阶段就能够被发现并得到解决。因此并行工程能够较大程度地保证设计出的产品具有良好的可制造性、可装配性、可维护性及回收再生等特性，从而最大限度地减少设计更改、缩短产品开发周期、降低产品研发成本。
1.2.1 面向并行工程的维修性设计工作分析
依据并行工程的公理化设计理论[3]，产品的维修性设计过程可划分为维修性需求分析、确定维修性要求、系统维修性分析、维修性属性设计与试验评定3个部分，如图2所示。图2中各部分分别与产品生命周期的需求分析、指标论证、方案设计、工程研制4个阶段基本对应。其中，维修性设计的主要工作集中在确定维修性要求、系统维修性分析、维修性属性设计与试验评定3个阶段。
图2 维修性设计的四部分
1)确定维修性要求。
维修性指标是后续工作中开展维修性设计分析的目标与依据，对民用飞机而言，维修性指标的确定包括如下工作内容：
①维修性参数的选用。
民用飞机的维修参数除了平均修复时间、平均维修时间等常用参数外，还包括每飞行小时维修工时、每飞行小时直接维修费用、发动机更换时间等特有参数。
②参数指标的确定。
参数指标的确定包括目标值的确定、门限值的确定、规定值的确定、最低可接受值的确定等。
③维修性定性要求分析。
维修性常见的定性要求包括可达性、标准化、互换性、防差错性、可测试性、人机工效要求等。
2)系统维修性分析。
系统维修性分析的目的是为组成民机的系统、子系统、可更换单元等各层次确定维修性要求，并初步分析评估设计方案能否满足相应要求。系统维修性分析包括维修性建模、维修性分配、维修性预计以及维修性分析与综合权衡等工作。
①维修性建模。
维修性模型是对系统和设备进行维修性分配、预计与评定的基础。建立维修性模型时，应考虑设计特征、维修级别及保障条件、维修性合同参数和使用参数关系等因素。
②维修性分配。
维修性分配的目的是将高层次定量要求分配给各低层次的系统或设备，以便在各层次上分别开展维修性设计工作。维修性分配常用方法包括故障率分配法、可用度分配法、加权分配法与相似产品分配法等。
③维修性预计。
维修性预计的目的是估计系统、分系统或设备的维修性，确定所提出的设计在规定的产品支援条件下，能否达到规定的维修性要求。
④维修性分析。
维修性分析的主要任务是获取各种维修性信息，为建立维修性设计准则、做出设计决策创造条件，向维修保障计划提供输入，并证实设计符合维修性要求。维修性分析涉及到故障模式及影响分析、费用分析、风险分析等方面，同样维修性分析也需要随着设计过程不断完善。
3)维修性属性设计与试验评定。
①维修性属性设计。
维修性属性设计是指依据维修性设计准则对系统各层次分别进行维修性设计。进行维修性属性设计时，一般应考虑下列准则的要求：
a.简化设计准则；
b.可达性设计准则；
c.标准化、互换性与模块化设计准则；
d.防差错设计准则；
e.维修安全性准则；
f.检测与诊断准则(测试性)；
g.人机工效准则。
②维修性试验与评定。
维修性试验与评定能够鉴别有关维修性的设计缺陷，使维修性不断增长，并验证产品的维修性是否满足规定要求。
维修性试验与评定一般包括维修性核查、维修性验证与维修性评价3项活动。维修性核查贯穿于整个研制过程之中的维修性试验与评定工作，通过维修性核查可以鉴别设计缺陷，以便采取措施纠正，使得维修性不断增长。维修性验证是指为了确定产品是否达到规定的维修性要求而进行的试验与评定工作。维修性验证一般在设计定型阶段进行，目的是全面考核产品是否达到维修性要求。维修性评价是为了确定产品实际使用、维修和保障条件下的维修性所进行的试验与评定工作，通常在产品投入使用后进行，能够为产品的改型设计或者新产品的设计提供信息。
1.2.2 维修性工作的并行化
维修性并行设计强调维修性设计各环节的并行，是在充分细分各种活动的基础上，找出各活动之间的逻辑关系，将满足条件的设计活动进行并行与交叉[4]。实现维修性设计各活动的并行化的基本途径有两条：一是将维修性设计的工作与任务细分为多项子任务；二是尽早开始工作。
1)子任务的并行。
按产品组成部分划分设计任务是较为常用的子任务划分方法，对于民用飞机的维修性设计，可按系统、子系统等分层次确定设计子任务，如民用飞机的维修性设计可划分为起落架系统维修性设计、电子设备舱维修性设计、动力装置维修性设计等子任务，起落架系统的维修性设计又可以划分为前起落架维修性设计、主起落架维修性设计、起落架收放系统维修性设计等子任务。
对于每一子任务，可视为一个包含确定维修性要求、系统维修性分析、维修性属性设计与试验评定等所有维修性设计环节的微循环，民用飞机的维修性设计过程将是一个由n个微循环组成的体系。从宏观上看各微循环之间相互并行，从微观上看各微循环内部仍然符合设计的基本逻辑与顺序。这种宏观上并行、微观上顺序的设计体系，使得设计人员可以同时工作于多项子任务，从而达到缩短设计周期的目的[4]。
用微循环模型描述的民用飞机维修性设计过程如图3所示。图中每一个微循环可以在子任务分析的基础上进一步细分为相应的子微循环。
图3 民用飞机维修性设计过程的微循环描述
2)尽早开始工作。
尽早开始工作必须以维修性设计活动的需求信息分析为基础。通过需求信息分析，确定开展各项维修性设计活动的基本信息，以支持维修性设计中各项活动的尽早开展。维修性设计活动的并行体现在方案设计与工程研制阶段的系统维修性分析、维修性属性设计以及维修性试验与评定等活动之中，只要具备分析所需信息，即可开展相应的工作。
图4描述了维修性设计各环节之间及其与产品设计其他方面的信息交互关系。
图4 维修性设计活动的信息交互
如图所示，维修性设计各项活动的需求信息，一部分来源于该活动之前的各项维修性设计活动，更多的信息则来源于产品设计的其他方面，其中与维修性设计关系较为密切的包括数字样机开发、可靠性设计与分析、产品支援设计、维修工程等方面。图中，LORA、FMECA、RCMA与MTA分别表示修理级别分析、故障模式影响及危害性分析、以可靠性为中心的维修分析与维修工作分析；虚线框中的产品设计活动不属于维修性设计本身的范畴，但是为维修性设计提供了必要的输入信息。
2 民用飞机维修性并行设计工作模式研究
2.1 维修性并行设计团队的组成
维修性的并行设计不能仅依靠维修性工程师来实现，而应将维修性工程师融入人员集成的产品开发团队之中，建立包含多学科的维修性并行设计团队，以便相关设计人员之间无障碍地沟通与交流，支持维修性设计各项活动的并行开展。
民机的维修性并行设计需要研制、生产制造、使用维护等纵向过程各阶段以及产品的性能、可靠性、维修性、产品支援、安全性等横向领域各方面的专家与技术员的协调合作。对于民用飞机，维修性并行设计团队通常应包括下列人员：维修性工程师、总体设计人员、系统设计人员、制造生产工程师、可靠性工程师、产品支援工程师、维修工程师、管理和控制工程师。
2.2 维修性并行设计团队的工作模式
维修性并行设计团队开展工作时，应当按照给定的维修性并行设计工作流程来实现产品良好的维修性，设计过程中要考虑维修性设计的所有影响因素，对与维修性设计相关的其他环节加强控制与监督，定期组织团队会议，实施信息发布制度，使得团队成员能够及时沟通交流、把握设计过程与状态，以便做出正确的决策。
在维修性并行工作团队中，维修性并行设计过程中的各项活动都应当由维修性工程师负责或协调完成。由于飞机及系统最终的方案将由设计人员来完成，因此总体设计人员和系统设计人员同样发挥着极为重要的作用，其主要工作职责是对维修性设计工程师的意见与建议进行及时分析反馈，并对设计方案做出决策。可靠性工程师、产品支援工程师、维修工程师的主要作用是为维修性工程师提供维修性设计各项活动所需信息，以便各项活动及早开展。管理和控制工程师在维修性并行设计团队中主要作用是制定维修性工作计划，监督计划的执行情况，对系统供应商进行控制与管理，这些工作同样需要维修性工程师、系统设计师等来协作完成。
图5为维修性并行工作团队的工作模式示意图。图中，维修性工程师、系统设计人员、总体设计人员处于中心位置，维修性设计的主要环节将由他们来完成。制造生产工程师、可靠性工程师、保障性工程师、维修工程师、管理和控制工程师等主要是为维修性设计提供服务与支持，提出维修性设计的相关要求、提供设计输入信息、制定工作计划等工作主要由他们完成。
图5 维修性并行设计团队工作模式
3 某型飞机起落架系统维修性并行设计实例
某民用飞机起落架系统由一台前起落架以及两台主起落架组成，将前起落架与两台主起落架均视为该起落架系统的子系统，则该起落架系统的维修性并行设计包括前起落架维修性设计以及两台主起落架维修性设计3项子任务，每一子任务均可视为图3所示的微循环。为不失一般性，本节将以前起落架系统为例给出维修性并行设计过程。
1)前起落架系统维修性要求。
选取平均修复时间(MTTR)为该前起落架系统的维修性定量参数，其指标值为30min。该系统的维修性定性要求(设计属性)如图6所示[5]。
图6 前起落架系统维修性定性要求
2)前起落架系统维修性分析。
MTTR为本例中的维修性参数，与其相对应的维修性模型为[6]。
(1)
式中：λi为第i个维修事件的故障率；
为第i个维修事件的平均修复时间，每一维修事件对应于组成系统的航线可更换单元(LRU)。
基于式(1)可开展维修性预计、分配与分析等工作。该前起落架系统的各LRU及相关可靠性、维修性信息见表1。
表1 前起落架系统LRU可靠性与维修性信息
LRU数量故障率/(10-6h)平均更换时间/min缓冲支柱154.9093.95阻力杆114.8661.07锁杆117.5930.46下位锁弹簧23.5115.07收放作动筒117.1128.25锁杆作动筒115.5224.73机轮2189427.40前后舱门连杆420.1519.03
由式(1)可求得系统平均修复时间为22.57min，符合民机外场平均修复时间必须小于30min的要求。若各LUR更换时间未知，可依据式(1)进行维修性分配工作。
通过维修性分析可知，在所有LRU中，机轮故障率是最高的，且远大于其他LRU，因此在系统平均修复时间中占的比重也最大。要提高该前起落架系统维修性，可着重考虑改善机轮的可拆卸性，对其采用可达性、模块化、标准化、简化设计等维修性设计方法，以缩短机轮更换时间。
3)前起落架系统维修性属性分析与试验评定。
本文将基于前起落架系统数字样机(如图7所示)，针对图6所示的维修性各属性开展分析工作。
图7 前起落架系统数字样机
在上述各属性中，可达性与人机工效属性与某一维修任务的维修作业过程密切相关，本文将通过在数字化环境中开展虚拟维修作业仿真对其进行分析[7]。以机轮拆卸为例，其虚拟作业仿真过程如图8所示。
图8 机轮虚拟拆卸过程
通过开展维修作业虚拟仿真，可以评估维修作业中的可视性、工具可达性以及人体舒适性，为设计改进提供依据。在机轮拆卸过程中，发现联接件拆除的工作负荷较大，建议改进设计。
除了可达性与人机工效外的其他设计属性与整个系统的设计特性相关，因此将利用维修性核对表对其进行评估，结果发现起落架舱门的简化设计 特性较差，建议将四舱门改为两舱门，同时减少舱门连杆数量。
完成维修性各属性的评估后，必须针对相应问题进行设计改进。本文基于数字样机进行评估，能够支持设计的快速更改，有利于维修性并行设计过程的实现。
4 结束语
本文所提出的民用飞机维修性并行设计框架体系具有较强的实用性，对民机的维修性设计提供了一定的技术支持。但目前仅是通过简单的实例证明了该理论方法的可行性，要真正在实践中体现其价值，还需要在实际工程中收集相关数据资料，进行进一步的分析研究。
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Research on the concurrent design system for maintainability of civil aircraft
LI Naixin1, LU Zhong1, ZHOU Jia2
(1.College of Civil Aviation, Nanjing University ofAeronautics and Astronautics, Jiangsu Nanjing, 211106, China) (2.Department of Aircraft Maintenance,China Eastern Airlines Jiangsu Ltd. Co., Jiangsu Nanjing, 211113, China)
Abstract：The maintainability concurrent design framework for civil aircraft is studied. Firstly the basic connotation of concurrent engineering is expounded, the process of maintainability concurrent design is analyzed and the specific design steps and related work are determined. Then the concurrent method of maintainability work is proposed based on micro-design-cycle theory, and the relationships among different information related to maintainability design are described. And the cooperative work mode of maintainability concurrent design team is presented and the group numbers are determined. Finally, an application instance of maintainability concurrent design is given in terms of a certain type of nose landing gear system.
Key words：civil aircraft; concurrent design; maintainability design; maintainability verification
DOI：10.3969/j.issn.2095-509X.2016.11.016
收稿日期：2016-02-23
基金项目：国家自然科学基金资助项目(61403192)；中央高校基本科研业务费资助项目(NS2011008)
作者简介：李乃鑫(1990—)，男，山西太原人，南京航空航天大学硕士研究生，主要研究方向为航空器系统工程。
中图分类号：V37;TH
文献标志码：A
文章编号：X(2016)11-0077-05