分析数字样机在飞机设计中的应用

分析数字样机在飞机设计中的应用

摘要：飞机数字化设计在国内部分飞机局部设计中已经得到广泛的应用，但是飞机全机采用三维全数字设计相关研究还缺少案例和研究经验的支持。在设计过程中对飞机全机三维数字化设计关键技术加以研究，最终解决了难题，建立了三维外形数模。本文围绕数字样机设计应用与传统飞机制造模式的差异分析，并结合数字样机设计应用要求以及具体应用体现，分别展开探讨。关键词：数字样机；三维数字化技术；数字孪生引言：目前是以信息技术革命为中心的知识经济时代，各航空科研院所、集团企业认识到时代的变化需要重新定位战略目标，抓住时代机遇，实现技术革新和再创造，增强自身核心竞争实力。结合十六大报告提出的发展理念：“要坚持以信息化带动工业化，以工业化促进信息化，走出一条新型工业化之路。”在外部经济发展形势下，开创了中国飞机全机规模数字样机，解决了三维数字化设计技术难关，预示着我国飞机设计水平进入了数字化设计阶段，与国际飞机设计手段相接轨，为我国传统飞机制造模式向着数字化设计制造模式转变，奠定了发展基础。一、传统飞机设计制造模式与全机数字化样机设计对比分析从飞机数字化研制模式分析，我国自航空航天工业事业建设开始，始终受限于传统飞机设计制造方式和工具，难以达到国际飞机设计研制的先进水平。如我国手工图纸设计、手工操作机械加工方法，也可以统称为模线样板法。操作过程是由图纸、模线样板、样件、工装模具夹具、产品等多个设计环节构成，其本质是基于模拟量传递的产品研制方法，围绕这种研制方法，才能开展一起飞机工厂活动，不仅耗时长，工作效率也慢，严重影响着航空企业设计技术的进步。因此，需要对传统产品研制过程进行改革创新，利用先进的技术替代传统手工设计方法，以数字化技术为基础进行设计和研究，利用计算机软硬件设施以及网络技术，实现产品设计、制造和管理，在网络和计算机的辅助下建立飞机数字化模型，模拟飞机设计、分析、装配和制造等过程。数字化设计制造技术是实现集团飞机设计目标的先进技术手段，可以贯穿集团生产全过程，从生产线设备布置、生产线的匹配、物料配送和成本核算等多方面，通过数字化设计制造技术大幅度提高生产效率和质量，增强集团设计研发能力，省去了大量的模线、样板、样件和工装等模拟量传递工具，体现出研发周期短、产品优质、生产高效、成本较低等优势，彻底改变了传统飞机工程设计制造繁琐的过程以及技术、工具应用体系。如某型飞机的设计采用了数字样机技术，取得了成功；还有波音777的数字样机设计应用，不仅降低了开发成本，缩短研发时间，还减少了设计更改次数，降低了返工率，相比传统制造方式，数字样机设计应用模式出现的问题要少很多。二、数字样机设计应用的相关要求（一）建立信息化环境，加强信息化领导在数字化设计过程中，除了必要、持续性投资以外，还需要加强计算机软硬件基础设施建设，改善原有飞机设计研制工作环境，不断提升工作环境的数字化特性，将计算机和网络技术融入到数字样机设计应用中，建立高水平的、以信息技术为核心的技术研究体系，完善科研设备，加大基础设施建设力度，通过健全的工作环境，让科研人员积极参与先进的技术研究工作，为科技人员提供相应的培训和指导，为全机的数字化设计做好准备。同时，建立信息化工作小组，加强信息化领导，健全和完善组织，确保航空信息工程、国家应用示范工程及其他全所跨专业计算机应用项目的顺利实施，通过成立计算机应用工程领导小组，加快全科研院所信息化关键技术研究。（二）优化设计流程，细化设计要求数字样机的设计流程应按照一级数字样机、二级数字样机、三级数字样机自顶向下的顺序分布式依次建立，并对各流程设计环节进行细化。数字样机的模型特征需要反映特定飞机的实际特征，其中包含全机的单体零件、多体零件、以及其他设备等完整的数字化信息模型，并通过工程分析、技术管理等方式，按照实际需求进行相应处理，以此满足不同飞机的使用要求。因此，数字样机设计应用需要遵循一般要求，进行相应规范。如零部件标识要求，需要按照零部件编码与数据文件标识的有关规定执行。坐标系与定位要求，各部件分部件需要借助全机坐标系进行定位，组合件可以使用各种约束，零件可以在安装时使用各种约束。另外，还有模型简化要求，数字样机模型简化需要针对不同阶段、不同目的进行差异化处理，对于只用于协调的数字样机，可以仅显示外形，但是需要明确重量、重心等数据，并且在其接口位置的尺寸外形需要保障协调关系。而对于用于工程分析的数字样机，除了外挂武器要显示出外形，还需要满足重量、重心等相应数据的等效模型。三、数字样机技术应用体现（一）数字孪生技术在飞机设计验证中的应用数字孪生是近十年才出现的概念，以智能制造和智能建造为切入点，利用模型驱动方法和数据驱动智能融合技术，实现数字化的建构、设计和实现，提供相应的技术指导。同时，利用软件平台，基于数字孪生系统研究方法和实践方式，以模型和数据为基础，通过学科耦合仿真，实现从物理实体建构虚拟镜像数字化模型，利用双向交互反馈，完成物理实体状态在数字空间的同步运行[1]。如通用电气公司（GE）收集了大量航空发动机的数据，通过数据搜集、挖掘与分析，预测设备发生故障位置、时间等相关可能性，并进一步明确故障发生原因，所以该公司近年来格外重视数字孪生技术在物理空间中的应用与探索。但随着系统之间耦合越来越复杂，造成集成测试验证技术难度提高，相应地成本支出加大，未来还需要在技术研究方面攻坚克难，增加实验样本量，解决构型单一的问题，借助数字化关键技术优势为飞机运行提供支持。（二）三维结构参数化建模三维结构的参数化设计可以按照两个维度来理解，一是约束驱动法，是基于图形数据的操作，借助建模参数功能的CAD技术，利用既有模板，经过CAD技术处理，系统自动识别和查询参数的准确性，对于不符合实际要求的参数按照标准进行调整，以此完整建模[2]。二是编程法，运用编程法的难度系数较大，是利用高级语言和CAD系统提供的接口编写程序，基于产品参数模型进行建模和模拟。参数化设计不仅可以进行建模，还可以在仿真处理中发挥实效作用，根据不同功能需求，系统所需参数自然各有差异，但是整体技术和理论基础不变，可以在三维结构参数建模技术应用下，压缩时间，解决通过人工计算出现失误的问题，提高设备整体性能，提升效率和开发质量。结语：综合上述分析，数字样机技术在不同层面的设计应用中具有可行的操作性，虽然整体设计开发难度较高，但是从不同维度、多方面研究和分析，目前，还是取得了一定的良好成果。对于未来发展中，业内相关科研工作者还需要进一步加强对这一课题的研究和探索，依托数字化技术和网络平台贯穿设计全过程，将设计原理、仿真处理、软硬件设