分析數(shù)字樣機在飛機設計中的應用

分析數(shù)字樣機在飛機設計中的應用

摘要：飛機數(shù)字化設計在國內(nèi)部分飛機局部設計中已經(jīng)得到廣泛的應用，但是飛機全機采用三維全數(shù)字設計相關研究還缺少案例和研究經(jīng)驗的支持。在設計過程中對飛機全機三維數(shù)字化設計關鍵技術(shù)加以研究，最終解決了難題，建立了三維外形數(shù)模。本文圍繞數(shù)字樣機設計應用與傳統(tǒng)飛機制造模式的差異分析，并結(jié)合數(shù)字樣機設計應用要求以及具體應用體現(xiàn)，分別展開探討。關鍵詞：數(shù)字樣機；三維數(shù)字化技術(shù)；數(shù)字孿生引言：目前是以信息技術(shù)革命為中心的知識經(jīng)濟時代，各航空科研院所、集團企業(yè)認識到時代的變化需要重新定位戰(zhàn)略目標，抓住時代機遇，實現(xiàn)技術(shù)革新和再創(chuàng)造，增強自身核心競爭實力。結(jié)合十六大報告提出的發(fā)展理念：“要堅持以信息化帶動工業(yè)化，以工業(yè)化促進信息化，走出一條新型工業(yè)化之路?！痹谕獠拷?jīng)濟發(fā)展形勢下，開創(chuàng)了中國飛機全機規(guī)模數(shù)字樣機，解決了三維數(shù)字化設計技術(shù)難關，預示著我國飛機設計水平進入了數(shù)字化設計階段，與國際飛機設計手段相接軌，為我國傳統(tǒng)飛機制造模式向著數(shù)字化設計制造模式轉(zhuǎn)變，奠定了發(fā)展基礎。一、傳統(tǒng)飛機設計制造模式與全機數(shù)字化樣機設計對比分析從飛機數(shù)字化研制模式分析，我國自航空航天工業(yè)事業(yè)建設開始，始終受限于傳統(tǒng)飛機設計制造方式和工具，難以達到國際飛機設計研制的先進水平。如我國手工圖紙設計、手工操作機械加工方法，也可以統(tǒng)稱為模線樣板法。操作過程是由圖紙、模線樣板、樣件、工裝模具夾具、產(chǎn)品等多個設計環(huán)節(jié)構(gòu)成，其本質(zhì)是基于模擬量傳遞的產(chǎn)品研制方法，圍繞這種研制方法，才能開展一起飛機工廠活動，不僅耗時長，工作效率也慢，嚴重影響著航空企業(yè)設計技術(shù)的進步。因此，需要對傳統(tǒng)產(chǎn)品研制過程進行改革創(chuàng)新，利用先進的技術(shù)替代傳統(tǒng)手工設計方法，以數(shù)字化技術(shù)為基礎進行設計和研究，利用計算機軟硬件設施以及網(wǎng)絡技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品設計、制造和管理，在網(wǎng)絡和計算機的輔助下建立飛機數(shù)字化模型，模擬飛機設計、分析、裝配和制造等過程。數(shù)字化設計制造技術(shù)是實現(xiàn)集團飛機設計目標的先進技術(shù)手段，可以貫穿集團生產(chǎn)全過程，從生產(chǎn)線設備布置、生產(chǎn)線的匹配、物料配送和成本核算等多方面，通過數(shù)字化設計制造技術(shù)大幅度提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，增強集團設計研發(fā)能力，省去了大量的模線、樣板、樣件和工裝等模擬量傳遞工具，體現(xiàn)出研發(fā)周期短、產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)、生產(chǎn)高效、成本較低等優(yōu)勢，徹底改變了傳統(tǒng)飛機工程設計制造繁瑣的過程以及技術(shù)、工具應用體系。如某型飛機的設計采用了數(shù)字樣機技術(shù)，取得了成功；還有波音777的數(shù)字樣機設計應用，不僅降低了開發(fā)成本，縮短研發(fā)時間，還減少了設計更改次數(shù)，降低了返工率，相比傳統(tǒng)制造方式，數(shù)字樣機設計應用模式出現(xiàn)的問題要少很多。二、數(shù)字樣機設計應用的相關要求（一）建立信息化環(huán)境，加強信息化領導在數(shù)字化設計過程中，除了必要、持續(xù)性投資以外，還需要加強計算機軟硬件基礎設施建設，改善原有飛機設計研制工作環(huán)境，不斷提升工作環(huán)境的數(shù)字化特性，將計算機和網(wǎng)絡技術(shù)融入到數(shù)字樣機設計應用中，建立高水平的、以信息技術(shù)為核心的技術(shù)研究體系，完善科研設備，加大基礎設施建設力度，通過健全的工作環(huán)境，讓科研人員積極參與先進的技術(shù)研究工作，為科技人員提供相應的培訓和指導，為全機的數(shù)字化設計做好準備。同時，建立信息化工作小組，加強信息化領導，健全和完善組織，確保航空信息工程、國家應用示范工程及其他全所跨專業(yè)計算機應用項目的順利實施，通過成立計算機應用工程領導小組，加快全科研院所信息化關鍵技術(shù)研究。（二）優(yōu)化設計流程，細化設計要求數(shù)字樣機的設計流程應按照一級數(shù)字樣機、二級數(shù)字樣機、三級數(shù)字樣機自頂向下的順序分布式依次建立，并對各流程設計環(huán)節(jié)進行細化。數(shù)字樣機的模型特征需要反映特定飛機的實際特征，其中包含全機的單體零件、多體零件、以及其他設備等完整的數(shù)字化信息模型，并通過工程分析、技術(shù)管理等方式，按照實際需求進行相應處理，以此滿足不同飛機的使用要求。因此，數(shù)字樣機設計應用需要遵循一般要求，進行相應規(guī)范。如零部件標識要求，需要按照零部件編碼與數(shù)據(jù)文件標識的有關規(guī)定執(zhí)行。坐標系與定位要求，各部件分部件需要借助全機坐標系進行定位，組合件可以使用各種約束，零件可以在安裝時使用各種約束。另外，還有模型簡化要求，數(shù)字樣機模型簡化需要針對不同階段、不同目的進行差異化處理，對于只用于協(xié)調(diào)的數(shù)字樣機，可以僅顯示外形，但是需要明確重量、重心等數(shù)據(jù)，并且在其接口位置的尺寸外形需要保障協(xié)調(diào)關系。而對于用于工程分析的數(shù)字樣機，除了外掛武器要顯示出外形，還需要滿足重量、重心等相應數(shù)據(jù)的等效模型。三、數(shù)字樣機技術(shù)應用體現(xiàn)（一）數(shù)字孿生技術(shù)在飛機設計驗證中的應用數(shù)字孿生是近十年才出現(xiàn)的概念，以智能制造和智能建造為切入點，利用模型驅(qū)動方法和數(shù)據(jù)驅(qū)動智能融合技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)字化的建構(gòu)、設計和實現(xiàn)，提供相應的技術(shù)指導。同時，利用軟件平臺，基于數(shù)字孿生系統(tǒng)研究方法和實踐方式，以模型和數(shù)據(jù)為基礎，通過學科耦合仿真，實現(xiàn)從物理實體建構(gòu)虛擬鏡像數(shù)字化模型，利用雙向交互反饋，完成物理實體狀態(tài)在數(shù)字空間的同步運行[1]。如通用電氣公司（GE）收集了大量航空發(fā)動機的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)搜集、挖掘與分析，預測設備發(fā)生故障位置、時間等相關可能性，并進一步明確故障發(fā)生原因，所以該公司近年來格外重視數(shù)字孿生技術(shù)在物理空間中的應用與探索。但隨著系統(tǒng)之間耦合越來越復雜，造成集成測試驗證技術(shù)難度提高，相應地成本支出加大，未來還需要在技術(shù)研究方面攻堅克難，增加實驗樣本量，解決構(gòu)型單一的問題，借助數(shù)字化關鍵技術(shù)優(yōu)勢為飛機運行提供支持。（二）三維結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模三維結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設計可以按照兩個維度來理解，一是約束驅(qū)動法，是基于圖形數(shù)據(jù)的操作，借助建模參數(shù)功能的CAD技術(shù)，利用既有模板，經(jīng)過CAD技術(shù)處理，系統(tǒng)自動識別和查詢參數(shù)的準確性，對于不符合實際要求的參數(shù)按照標準進行調(diào)整，以此完整建模[2]。二是編程法，運用編程法的難度系數(shù)較大，是利用高級語言和CAD系統(tǒng)提供的接口編寫程序，基于產(chǎn)品參數(shù)模型進行建模和模擬。參數(shù)化設計不僅可以進行建模，還可以在仿真處理中發(fā)揮實效作用，根據(jù)不同功能需求，系統(tǒng)所需參數(shù)自然各有差異，但是整體技術(shù)和理論基礎不變，可以在三維結(jié)構(gòu)參數(shù)建模技術(shù)應用下，壓縮時間，解決通過人工計算出現(xiàn)失誤的問題，提高設備整體性能，提升效率和開發(fā)質(zhì)量。結(jié)語：綜合上述分析，數(shù)字樣機技術(shù)在不同層面的設計應用中具有可行的操作性，雖然整體設計開發(fā)難度較高，但是從不同維度、多方面研究和分析，目前，還是取得了一定的良好成果。對于未來發(fā)展中，業(yè)內(nèi)相關科研工作者還需要進一步加強對這一課題的研究和探索，依托數(shù)字化技術(shù)和網(wǎng)絡平臺貫穿設計全過程，將設計原理、仿真處理、軟硬件設