分析數(shù)字樣機(jī)在飛機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

分析數(shù)字樣機(jī)在飛機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘要：飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)部分飛機(jī)局部設(shè)計(jì)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但是飛機(jī)全機(jī)采用三維全數(shù)字設(shè)計(jì)相關(guān)研究還缺少案例和研究經(jīng)驗(yàn)的支持。在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)飛機(jī)全機(jī)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)關(guān)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(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用與傳統(tǒng)飛機(jī)制造模式的差異分析，并結(jié)合數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用要求以及具體應(yīng)用體現(xiàn)，分別展開(kāi)探討。關(guān)鍵詞：數(shù)字樣機(jī)；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(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，各航空科研院所、集團(tuán)企業(yè)認(rèn)識(shí)到時(shí)代的變化需要重新定位戰(zhàn)略目標(biāo)，抓住時(shí)代機(jī)遇，實(shí)現(xiàn)技術(shù)革新和再創(chuàng)造，增強(qiáng)自身核心競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。結(jié)合十六大報(bào)告提出的發(fā)展理念：“要堅(jiān)持以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，以工業(yè)化促進(jìn)信息化，走出一條新型工業(yè)化之路?！痹谕獠拷?jīng)濟(jì)發(fā)展形勢(shì)下，開(kāi)創(chuàng)了中國(guó)飛機(jī)全機(jī)規(guī)模數(shù)字樣機(jī)，解決了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)難關(guān)，預(yù)示著我國(guó)飛機(jī)設(shè)計(jì)水平進(jìn)入了數(shù)字化設(shè)計(jì)階段，與國(guó)際飛機(jī)設(shè)計(jì)手段相接軌，為我國(guó)傳統(tǒng)飛機(jī)制造模式向著數(shù)字化設(shè)計(jì)制造模式轉(zhuǎn)變，奠定了發(fā)展基礎(chǔ)。一、傳統(tǒng)飛機(jī)設(shè)計(jì)制造模式與全機(jī)數(shù)字化樣機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)比分析從飛機(jī)數(shù)字化研制模式分析，我國(guó)自航空航天工業(yè)事業(yè)建設(shè)開(kāi)始，始終受限于傳統(tǒng)飛機(jī)設(shè)計(jì)制造方式和工具，難以達(dá)到國(guó)際飛機(jī)設(shè)計(jì)研制的先進(jìn)水平。如我國(guó)手工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、手工操作機(jī)械加工方法，也可以統(tǒng)稱為模線樣板法。操作過(guò)程是由圖紙、模線樣板、樣件、工裝模具夾具、產(chǎn)品等多個(gè)設(shè)計(jì)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(kāi)展一起飛機(jī)工廠活動(dòng)，不僅耗時(shí)長(zhǎng)，工作效率也慢，嚴(yán)重影響著航空企業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步。因此，需要對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品研制過(guò)程進(jìn)行改革創(chuàng)新，利用先進(jìn)的技術(shù)替代傳統(tǒng)手工設(shè)計(jì)方法，以數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，利用計(jì)算機(jī)軟硬件設(shè)施以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和管理，在網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)的輔助下建立飛機(jī)數(shù)字化模型，模擬飛機(jī)設(shè)計(jì)、分析、裝配和制造等過(guò)程。數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)是實(shí)現(xiàn)集團(tuán)飛機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)的先進(jìn)技術(shù)手段，可以貫穿集團(tuán)生產(chǎn)全過(guò)程，從生產(chǎn)線設(shè)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(guò)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)大幅度提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，增強(qiáng)集團(tuán)設(shè)計(jì)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(shì)，徹底改變了傳統(tǒng)飛機(jī)工程設(shè)計(jì)制造繁瑣的過(guò)程以及技術(shù)、工具應(yīng)用體系。如某型飛機(jī)的設(shè)計(jì)采用了數(shù)字樣機(jī)技術(shù)，取得了成功；還有波音777的數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用，不僅降低了開(kāi)發(fā)成本，縮短研發(fā)時(shí)間，還減少了設(shè)計(jì)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(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用模式出現(xiàn)的問(wèn)題要少很多。二、數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用的相關(guān)要求（一）建立信息化環(huán)境，加強(qiáng)信息化領(lǐng)導(dǎo)在數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了必要、持續(xù)性投資以外，還需要加強(qiáng)計(jì)算機(jī)軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，改善原有飛機(jī)設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融入到數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)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(shè)備，加大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度，通過(guò)健全的工作環(huán)境，讓科研人員積極參與先進(jìn)的技術(shù)研究工作，為科技人員提供相應(yīng)的培訓(xùn)和指導(dǎo)，為全機(jī)的數(shù)字化設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。同時(shí)，建立信息化工作小組，加強(qiáng)信息化領(lǐng)導(dǎo)，健全和完善組織，確保航空信息工程、國(guó)家應(yīng)用示范工程及其他全所跨專業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用項(xiàng)目的順利實(shí)施，通過(guò)成立計(jì)算機(jī)應(yīng)用工程領(lǐng)導(dǎo)小組，加快全科研院所信息化關(guān)鍵技術(shù)研究。（二）優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，細(xì)化設(shè)計(jì)要求數(shù)字樣機(jī)的設(shè)計(jì)流程應(yīng)按照一級(jí)數(shù)字樣機(jī)、二級(jí)數(shù)字樣機(jī)、三級(jí)數(shù)字樣機(jī)自頂向下的順序分布式依次建立，并對(duì)各流程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行細(xì)化。數(shù)字樣機(jī)的模型特征需要反映特定飛機(jī)的實(shí)際特征，其中包含全機(jī)的單體零件、多體零件、以及其他設(shè)備等完整的數(shù)字化信息模型，并通過(guò)工程分析、技術(shù)管理等方式，按照實(shí)際需求進(jìn)行相應(yīng)處理，以此滿足不同飛機(jī)的使用要求。因此，數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用需要遵循一般要求，進(jìn)行相應(yīng)規(guī)范。如零部件標(biāo)識(shí)要求，需要按照零部件編碼與數(shù)據(jù)文件標(biāo)識(shí)的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。坐標(biāo)系與定位要求，各部件分部件需要借助全機(jī)坐標(biāo)系進(jìn)行定位，組合件可以使用各種約束，零件可以在安裝時(shí)使用各種約束。另外，還有模型簡(jiǎn)化要求，數(shù)字樣機(jī)模型簡(jiǎn)化需要針對(duì)不同階段、不同目的進(jìn)行差異化處理，對(duì)于只用于協(xié)調(diào)的數(shù)字樣機(jī)，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(guān)系。而對(duì)于用于工程分析的數(shù)字樣機(jī)，除了外掛武器要顯示出外形，還需要滿足重量、重心等相應(yīng)數(shù)據(jù)的等效模型。三、數(shù)字樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用體現(xiàn)（一）數(shù)字孿生技術(shù)在飛機(jī)設(shè)計(jì)驗(yàn)證中的應(yīng)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(diǎn)，利用模型驅(qū)動(dòng)方法和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)智能融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的建構(gòu)、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，提供相應(yīng)的技術(shù)指導(dǎo)。同時(shí)，利用軟件平臺(tái)，基于數(shù)字孿生系統(tǒng)研究方法和實(shí)踐方式，以模型和數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)學(xué)科耦合仿真，實(shí)現(xiàn)從物理實(shí)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(shí)體狀態(tài)在數(shù)字空間的同步運(yùn)行[1]。如通用電氣公司（GE）收集了大量航空發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)搜集、挖掘與分析，預(yù)測(cè)設(shè)備發(fā)生故障位置、時(shí)間等相關(guān)可能性，并進(jìn)一步明確故障發(fā)生原因，所以該公司近年來(lái)格外重視數(shù)字孿生技術(shù)在物理空間中的應(yīng)用與探索。但隨著系統(tǒng)之間耦合越來(lái)越復(fù)雜，造成集成測(cè)試驗(yàn)證技術(shù)難度提高，相應(yīng)地成本支出加大，未來(lái)還需要在技術(shù)研究方面攻堅(jiān)克難，增加實(shí)驗(yàn)樣本量，解決構(gòu)型單一的問(wèn)題，借助數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢(shì)為飛機(jī)運(yùn)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(shè)計(jì)可以按照兩個(gè)維度來(lái)理解，一是約束驅(qū)動(dòng)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(guò)CAD技術(shù)處理，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別和查詢參數(shù)的準(zhǔn)確性，對(duì)于不符合實(shí)際要求的參數(shù)按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整，以此完整建模[2]。二是編程法，運(yùn)用編程法的難度系數(shù)較大，是利用高級(jí)語(yǔ)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(jìn)行建模和模擬。參數(shù)化設(shè)計(jì)不僅可以進(jìn)行建模，還可以在仿真處理中發(fā)揮實(shí)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(chǔ)不變，可以在三維結(jié)構(gòu)參數(shù)建模技術(shù)應(yīng)用下，壓縮時(shí)間，解決通過(guò)人工計(jì)算出現(xiàn)失誤的問(wèn)題，提高設(shè)備整體性能，提升效率和開(kāi)發(fā)質(zhì)量。結(jié)語(yǔ)：綜合上述分析，數(shù)字樣機(jī)技術(shù)在不同層面的設(shè)計(jì)應(yīng)用中具有可行的操作性，雖然整體設(shè)計(jì)開(kāi)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(duì)于未來(lái)發(fā)展中，業(yè)內(nèi)相關(guān)科研工作者還需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)這一課題的研究和探索，依托數(shù)字化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)貫穿設(shè)計(jì)全過(guò)程，將設(shè)計(jì)原理、仿真處理、軟硬件設(shè)