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基于系统动力学的航空标准件企业工程生产仿真研究与应用

论文编号:lw201807051827345984 所属栏目:工程硕士论文 发布日期:2018年07月05日 论文作者:www.51lunwen.com
本文是一篇工程硕士论文,工程的主要依据是数学、物理学、化学,以及由此产生的材料科学、固体力学、流体力学、热力学、输运过程和系统分析等。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇工程硕士论文,供大家参考。

1 绪 论

1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
从上世纪 90 年代开始,中国航空事业逐步进行入自主创新之路。经过二十多年的发展,从最初的引进、仿制阶段进入了自主研发时代,军用航空产品发展到第第五代机型,民用航空产品也迎来了干线大飞机、支线小飞机同时发展的新局面,同时全球民用飞机也进入了快速增长阶段,据波音公司预测,到 2030 年以前,全球将会增加 3.09 万民用飞机,中国将占到全球市场的 14%左右[1]。国防建设需求和经济利益驱动,给中国航空标准件企业带来了前所未有的发展机遇。然而,航空标准件企业的发展也面临着严峻的挑战,中国航空紧标准件的研制起步于上世纪七十年代,其规划建设是基于满足航空企业发展需求展开,经过四十余年的发展,航空某标准件企业形成以下特点:① 产品规格种类繁多,随着新机型的研制,产品种类不断增加;② 面向订单生产,在订单产品数量和规格上,订单表现出很大随机性;③ 原材料采购缺乏准确数据支撑,采购放大,库存偏高;④ 生产流程复杂,插单现象严重,波动较大,在制品库存过高,订单积压严重,订单延迟交付比例过高,客户满意度低。通过对国内主要几家航空标准件企业实地调研发现,上述问题分布于产、供、销各个阶段,这些问题之间相互影响且处于动态变化之中使标准件企业生产呈现复杂性和动态性特征。事实上,企业决策者面对上述问题,缺乏系统的分析方法,难以找到解决问题的切入点,着手改善时显得有些盲目,孤立地解决其中一个问题,又容易顾此失彼,效果不明显。因此,在分析和解决实际问题时需要从系统角度出发,弄清系统内部结构和作用机制,认清问题本质,就需要构建航空标准企业生产系统的动态模型,通过仿真演示模型动态行为规律和系统内部结构之间作用机制,并对生产进行定性和定量分析,为企业决策提供数据支撑,从而寻找有效途径降低企业库存、缩短交付延迟、提高客户满意度。
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1.2 国内外研究现状
系统动力学由控制论和现代非线性动力学发展而来,是系统科学理论与计算机仿真紧密结合、研究系统反馈结构与行为的一门科学[2],经过近 70 年代发展,成为了系统科学与行为的一个重要分支。按照时间划分,系统动力学的创立与发展经历了为三个重要阶段[3]。第一阶段:20 世纪 50~60 年代年系统动力学诞生20 世纪 50 年代早期,美国麻省理工学院(MIT)斯隆管理学院 Forrester 教授将计算机科学和反馈控制理论应用于工业与经济系统的研究,1958 年 Forrester 教授在《哈佛商业评论》发表《工业动态:决策者的一个重大突破》为系统动力学的诞生奠定基础,三年之后出版《工业动力学》成为了系统动力学理论和方法的经典论著[4,5],标志着系统动力学的诞生。1968 年 Forrester 教授又出版了《系统原理》一书,该书对动态行为的基本原理和系统结构的概念,直至今天,该书讲述的基本原理在对系统的分析、决策中仍具有广泛和普遍的适用性[6],在此之后,Forrester教授对城市动力学模型进行深入研究,并又出版了《城市动力学》;随后学者 L. E.Alfeld 出版《城市动力学导论》,以城市动力学模型为,详细讲述了系统动力学模型建立方法[7]。之后,系统动力学应用范围不断扩大,深入到在各个领域的各类系统,已经大大超出最早“工业动力学”的应用范围,便改称为称“系统动力学”。第二阶段:20 世纪 70~80 年代发展成熟期到 20 世纪 70 年代初,系统动力学逐渐发展成为一种了解和认识人类动态复杂系统的研究方法,其标志性成果是由 26 个国家的 75 名科学家建立的世界动力学模型,当时的科学家对世界人口增长与资源枯竭困惑不解,鉴于当时其他研究工具难以解决如此庞大复杂的问题,众多科学家尝试建立全世界系统动力学模型[8,9],这一时期主要成就有 Forrester、Dennis Meadows 建立的 WORDⅠ与 WORDⅡ模型并在此基础上出版三本书籍:《世界动力学》、《增长的极限》、《趋向全球的平衡》,其中《增长的极限》一书影响最大,被西方媒体成为“70 年代的爆炸性杰作”。与此同时,美国麻省理工学院针对美国社会经济问题建立了一个全国系统动力学模型,借助该模型,对 20 世纪 70 年代以来的通货膨胀、失业率等问题进行了研究,解开了一些令当时经济学家长期困惑的问题[10]。在此期间,系统动力学也开始在项目管理领域应用并取得了相应的成果,代表案例是 K. G. Cooper 建立SD 模型来分析海军造船工程中成本超额原因[11]。
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2 航空标准件企业生产现状分析

2.1 航空标准件企业生产现状
2.1.1 原材料供应现状
目前航空标准件企业主要原材料为金属材料,大多数企业对原材料的采购方式分为两种:钢厂订货和企业求援,其中绝大部分采用钢厂订货方式,具体又分为预测订货和和临时订货,预测订货是针对需求量较大的常规产品进行提前采购,临时订货是对预测订货的应急补充;企业求援是针对采购批量小,达不到钢厂起订数量而又交期紧急的订单,向同行业的企业采购原材料的一种方式,但成功率较低。目前企业接收的订单数量和规格随机性与不确定性较大,其中小订单数量较多,一般达不到钢厂起订数量,致使原材料采购数量难以预测,为了尽快缩短订单交货期,企业只能在订单积压到一定数量集中进行大批量采购,其次是原材料定额信息不准,为了满足订单数量,企业采购采用“宁大勿小”原则,人为造成采购系数放大,致使原材料库存积压,产生库存浪费,如图 2.2 所示。航空标准件为典型的多品种小批量产品,主要包含螺栓、螺母、铆钉、销、轴等,其规格种类繁多,性能用途各异,工艺要求特殊。航空标准件企业面向订单生产,产品数量需求具有很大的随机性,小到十几件达到几万件,产品规格和也具有很大的不确定性,给生产计划的制定和执行带来很大的困难。此外,很多航空标准件企业设备陈旧,故障率高,生产管理模式落后,管理制度执行不到位,增加了生产管理的混乱,总结起来概括为以下几方面。
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2.2 需求分析

2.2.1 传统方法的局限性
上述分析可知,航空标准件企业面对的问题仍然是传统制造业面临的普遍问题,经典的解决方法有精益生产、流程再造、约束理论等。精益生产以减少企业普遍存在的浪费问题为目标,很难全面系统的分析企业诸多问题,缺乏定性和定量的工具,在实施初期难免有一定的没盲目性,其次精益生产一般具有固定实施阶段,实施周期长,实施过程一般以现场改善为切入点,实施效果难以立竿见影,而对生产过程迫切需要解决的问题在短期内缺乏针对性改善措施。流程再造是对现有流程活动重新设计或优化,对现有流程活动的内容改较大,其实施过程设计面广,实施过渡期长,航空标准件企业生产流程较为复杂,实施流程再造对企业平稳生产干扰很大,会进一步加重生产任务的繁重,此外,流程再造追求长远管理效率,对眼前生产制造出现的具体问题不会立刻产生明显的改善效果。约束理论强调的是企业管理理念和方法,是识别现实企业运营活动中目标存在哪些限制因素,侧重于对经营目标独立分析,航空标准件企业生产问题环环相扣,孤立的分析问题,很难全面认清问题本质。综上所述,传统解决制造业生产中存在的问题时,实施手段固定,实施周期较长,分析问题是不够系统全面,其次是缺乏定性和定量研究工具,对现实问题的动态性、复杂性、非线性特征不能准确描述,对导致问题的因素的变化规律不能准确分析。因此,在解决航空标准件生产问题,尤其对航空标准件企业生产活动的动态演变规律,应从系统角度全面认识和分析,以便在短期内识别瓶颈因素,进而制定措施解决。
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3 航空标准件企业生产 SD 模型构建研究 ............. 15
3.1 航空标准件企业生产过程动态行为模式研究............ 15
3.2 建模目标与系统边界........ 18
3.3 系统因果结构图构建过程研究 ..............19
3.3.1 基本假设 ...........19
3.3.2 系统因果回路图...........20
3.3.3 系统流量存量图...........25
3.4 SD 模型参数和方程确定 ..............29
3.5 模型测试 ......36
3.6 本章小结 ......41
4 SD 模型情景仿真研究..........43
4.1 问题描述 ......43
4.2 案例企业 SD 模型情景仿真结果 ...........45
4.3 仿真结果分析与讨论 ........51
4.4 本章小结 ......56
5 政策方案设计与实施 ...........57
5.1 政策方案设计 .........57
5.2 政策方案效果分析 ............59
5.3 本章小结...... 64

5 政策方案设计与实施

5.1 政策方案设计
SD 模型仿真的根本目的是解决现实系统的实际问题,其根本途径是设计一系列的政策方案进行实施,政策设计时应基于企业现实,综合考虑各种影响因素,设计出有效可行的政策方案。事实上,很多政策的设计与实施并未用到高深的理论和方法,而是基于仿真结果,从系统内部出发,设计出有效可行的改善方案。

5.1.1 设计思路

由于军方对产品质量的严格要求,航空标准件生产层级一般较为固定,通过改变系统结构来设计政策方案具有一定的局限性,因此,应从系统关键参数着手实现对系统回路的调节。根据 4.3 仿真结果分析可以初步确定,