大型飞机数字化设计制造技术应用综述

大型飞机数字化设计制造技术应用综述 北京航空航天大学飞行器制造工程系 于勇 陶剑 范玉青 现代大型客机是先进喷气技术和计算机技术亲密结合高技术产物。但当今世界上大型民用运送机市场被欧洲空中客车企业和美国波音企业所主宰，其他国家（如俄罗斯等）被逐渐地边缘化，尤其体目前空客A380和波音787飞机研发上，其竞争十分剧烈，充足体现了国家战略利益和民族意志。同步，A380和波音787飞机研发使大型民用运送机数字化技术又到达了一种新高度。 大型民用运送机发展 在民用航空运送业中，大型客机占据着绝对统治地位。大型客机在民航运送中也称作干线运送机，它一般指客座不小于150、载重3050t以上、满载航程不小于3000km大中型客机，有时把客座不小于400称作超大型客机，如波音747 客机和空客企业最新研制A380客机。按航程划分，目前常把满客航程不小于600010000km 称为中远程干线运送机，航行于国际航线上多是此类飞机，一般是具有双通道宽体客机；把满客航程在5000km如下称为中近程干线运送机，航行于国内各大都市之间多是此类飞机，常被称为国内干线飞机，它们一般是双发单通道窄体客机，如空客A320和波音737系列机。尚有一种较小常常飞行在国内局部区域，从大都市到中小都市飞行，载客在120人如下，称作支线客机，如庞巴迪CRJ系列机、巴西ERJ系列机、中国ARJ和俄罗斯SSJ客机等，此类客机也是单通道支线客机。 大型飞机研制复杂性 飞机制造业，尤其是大型飞机制造业不一样于一般机械加工工业，由于其产品复杂度高，技术难度大，它是一种国家俱有战略性高技术产业，是现代科技高度集成产物，它它是衡量一种国家科技、工业水平和综合国力重要标志之一。大型民用运送机研制阶段 大型客机产品极其复杂，具有气动外形规定严格、设计更改频繁、产品构型众多、零件材料和形状各异、内部构造复杂、空间紧凑、各类系统布置密集以及零组件数量巨大等特点。美国波音747 大型客机，每架零件数量多达600万件，其中连接件为300万个，风洞吹风达15000h，电缆总长274km。其研制阶段多、周期长。如空客A380大型客机，从方案可行性到交付使用，正式进入航线，共用了时间。大型客机寿命长，如波音777设计寿命40年，后来还继续服务2030年，总寿命可达70年。波音737和747客机服务年限都超过了40年。一架大型飞机研制，需要全球协同，零部件供应商数千家，如A380客机供应商达1万多家，研制过程数据管理困难。更重要是保证飞机安全飞行所需多种设备，如通信、导航、显示和飞行控制等软硬件设备都需采用高新技术。目前尚有严格环境保护规定，如污染排放要少、噪音要低以及燃油运用率要高。因此，从飞机整个研制过程来看，即从顾客提出对飞机顾客规定开始，直至飞机设计、制造、交付出厂以及投入航线后服务工作，飞机研制过程是一种庞大系统工程。 数字化设计制造技术应用特点 在近年来大型民用运送机研制中，无论是空客A380客机，还是波音787客机研制，都充足体现了数字化技术是企业关键竞争力，是产品创新发展最有力工具。因此，数字化技术应用，无论在深度和广度上均有了巨大发展，其特点体目前如下5个方面。老式飞机研制过程1 数字化技术从主线上变化了产品研制措施 现代飞机研制措施，从原有基于物理( 实物) 样机串行方式演变成基于数字样机并行方式。以洛克希德马丁企业为例，原有老式研制过程和措施大体分3个阶段：概念设计、初步设计和生产设计阶段。在这3个设计阶段中，都需绘制模线和制作物理样机来协助技术人员精确地设计飞机和配置飞机内部空间，研制过程是串行，产品定义信息传递是不持续，其缺陷众所周知。 在现代新机研制中，虽然其产品研制阶段没有多大变化，不过，它模线和物理样机全都由产品数字化定义或数字样机所替代，并且其研制过程是并行，便于实现多学科协同设计。表波音BOS-600系列规范 此外，其协同模式也由本来基于IPT集中式协同，发展成为基于网络分布式协同，即产品设计协同团体IPT不用再集中到一地，而是分布在世界各地，通过网络进行协同设计，互换产品有关设计信息。波音在设计波音787客机中，就通过全球协同网络环境（GCE），采用了这一最先进协同方式。 波音企业在研发波音787客机中，不仅协同方式有了重大发展，并且其研制工作重心也发生了重大转变，波音本来是把飞机产品各零部件设计信息分发给供应商去制造，波音监管着所有产品研制进度和质量，最终负责飞机对接总装和试飞交付，即波音负责着所有飞机设计工作。但在研制波音787客机中波音做出重大变革，它仅负责飞机总体设计，把工作量极其繁重详细设计工作交给了部件制造单位（波音合作方）进行，最终波音仅负责十几种大部件对接总装工作。波音这种“抓两头”做法是非常科学，它不仅大幅度地减轻了波音企业工作量，更重要是详细设计是生产性设计，这部分设计由最理解产品怎样制造企业来做是最合适。波音这种设计模式也代表了此后飞机产品设计方向。 2 数字化技术贯穿了整个产品研制过程 数字化协同研制是以业务过程为中心，具有跨地区/ 多企业、动态研制特性。从协同研制全局目看，产品数字化协同研制中有横向（多学科协同研制MDO）和纵向（产品全生命周期协同）2种模式。基于模型人体工程模拟仿真 在这2种工作模式基础上，以产品数字化定义研制过程为对象，将处在孤立和离散状态参与研制不一样企业/部门/人员/信息整合起来协同工作，并得到完毕任务所需完整数字化产品信息描述，保证了研制过程中不一样阶段、不一样部门和不一样团体之间工作并行及信息持续和有效，充足体现了数字化技术贯穿了整个产品研制全过程，是数字化条件下飞机构造设计多学科优化研制模式。首先，必须组建研制所波及学科多学科团体（IPT）。所波及学科必须有自己、有效分析模型和设计原则。所有模型必须参数化。通过数字化多学科优化后，确定最终设计变量时，结合几何外形人员所进行放样和气动外形风洞仿真试验成果。 空客企业从，组织欧洲多种国家63个企业参与了VIVACE（Value Improvement through a Virtual Aeronautical Collaborative Enterprise）系统研究项目，共经历了4年时间，构建了多学科协同研制MDO系统框架，并在3个航空领域直升机、飞机和发动机，从可行性研究、概念设计直到详细设计全生命周期里进行了应用性研究。在空客A380研制过程中，充足运用了多学科协同研制思想进行飞机设计。基于模型定义波音787对接总装仿真 数字化技术不仅体目前设计过程中，也体目前后续制造环节中。波音企业在贯彻数字化技术同步还实行了精益生产。在此过程中，为了便于产品数据管理和构型控制，把飞机产品提成了几千个模块，在构型控制时，按照有效性使客户飞机产品由不一样模块构成，并对应地对生产流程划提成3个精简作业流程(TBS) ：TBS1、TBS2(A、B) 和TBS3，根据模块性质，不一样模块分属到3个精简作业流程中。这样，完全实现了产品数字化定义数据能畅通地传递到飞机制造和装配厂生产下游，并直至飞机使用和维护。 在波音787客机研制中，还构建了飞机物理模型、制造模型、性能模型和维护模型。协同设计团体由初期DBT（Design Build Team）发展到IPT（Integrated Product Tam），以及最新LCPT（Live Cycle Product Team）。它从另首先，体现了数字化技术贯穿了整个产品研制过程。 3 数字化定义技术向MBD（全三维）技术发展 由于在一般CAD系统中，工程技术人员所建立产品数字化模型仅是三维几何模型，而制造工艺信息还在二维图纸上。 这样仅根据三维几何模型往往难以进行产品生产和检查。也就是说，三维模型中技术人员不能以简朴明了方式将生产工艺、模具设计与生产、部件装配、部件与产品检查等工序所必须设计意图添加进来。三维模型虽然包括了二维图纸所不具有详细几何形状信息，但三维模型中却不包括尺寸和公差标注、表面粗糙度、表面处理措施、热处理措施、材质、结合方式、间隙设置、连接范围、润滑油涂刷范围、颜色、规定符合规格与原则等仅靠几何形状而无法体现( 非几何) 信息。此外，在三维建模中，基于形状注释提醒、关键部位放大图和剖面图等可以更为灵活而合理地传达设计意图手段也存在局限性。这在实际工程中就产生既用三维模型，又离不开二维图纸矛盾状态。从数据管理看，数据源二元性，难以保持数据一致性。基于这些所面临严重问题，美国机械工程师协会于1997年在波音企业协助下开始进行有关MBD(Model Based Definition) 原则研究和制定工作，于成为美国国标“Y14.41 DIGITALPRODUCT DEFINITION DATAPRACTICES”（数字化产品定义数据实行）。波音企业在本原则基础上，做了深入研发工作，制定了企业基于模型定义MBD技术应用规范BDS -600系列（实际上尚有几百项与MBD有关规范），如表1所示。 在此过程中其主导思想不能只是简朴地将二维图纸信息反应到三维数据中，而要充足运用三维模型所具有体现力，去探索便于顾客理解且更具效率设计信息体现方式，其中包括大量非几何信息，如零件表、设计规范和工艺信息等。这样，才能不再使用百年来工程师语言蓝图（二维图纸）。而在贯彻MBD思想时，最为艰难是“要从二维图纸文化这种既有概念中跳出来，从零开始研究新信息体现方式”。为此，首先应针对概念设计、初步设计、详细设计、生产准备、评估与检查等每个阶段，弄清晰“哪些是产品制造中所必须信息”。而这些信息都体目前MBD技术应用规范BDS-600系列中，并且波音在研制波音787客机中得到了很好贯彻，已获得了十分明显进展，并且也得到国际上广泛认同。4 数字化定义技术与其他先进技术相融合 伴随计算机技术、数控加工及成形技术、数字化测量技术、复材构件成形技术和先进装配技术不停发展，以及精益生产、并行工程等先进理念诞生和应用，使现代飞机协同研制处在不停变革之中，老式技术不停精化，新材料、新构造、新加工成形技术不停创新，集成整体构造、复材构件和数字化技术构筑了新一代飞机先进制造技术主体框架。数字化技术采用大幅度地提高了飞机设计制造技术水平，加紧了现代飞机研制整体进程。所有这一切都体目前空客和波音企业新机研制中，尤其是A380和波音787飞机研制中，他们使数字化应用技术与其他先进理念和技术相结合，才使数字化应用技术在飞机研制中发挥了巨大效益。他们认真地研究了怎样使数字化技术与其他先进理念（精益生产、并行工程）以及先进技术（数控加工及成形技术、数字化测量技术、飞机装配技术和质量保证技术等）相结合，使它们能集成在一起、融合在一起，发挥先进技术整体效益，这样才能充足发挥数字化技术在飞机研制中真正作用。 正是数字化定义技术广泛而深入应用，大力推进着数字化测量、加工技术及有关数字化技术发展，反之亦然。如精确数控切边和钻孔技术、数字化测量技术、激光投影技术、数字化复材铺层技术、数字化妆配技术和数字化仿真技术等先进技术得到了迅速发展和应用。 需要尤其指出是，这些数字化设备，是直接运用产品基于模型数字化定义数据来驱动，即产品零部件加工和生产用工装制造，直到飞机装配设备，都可直接根据基于模型定义MBD 数据进行，体现了数字化技术与其他先进技术融合。这样基本上没有中间数据传递环节，消除了形状和尺寸传递误差，即所谓装配过程中实现了“零误差”，保证制造出高质量飞机产品。5 数字化技术已经形成完整应用体系 从飞机整个研制过程来看，即从顾客对飞机提出规定开始，直至飞机设计、制造、交付出厂以及投入航线后服务工作，飞机研制过程是一种全球性庞大系统工程。因此，必须有基于能覆盖全球、完整数字化网络信息系统，才能研制出现代大型飞机，无论是波音还是空客企业，都无一例外。 波音企业在全球协同环境GCE中使用DOORS IGE-XAO、CATIA V5、DELMIA V5、ENOVIA 和Teamcenter等不一样软件作为产品建模和数据管理工具，ENOVIA（包括SmartTeam、LCA和IPD）系统作为在不一样研发阶段产品数据管理软件，并用来构建逻辑有关单一产品数据源LSSPD（Logical Single Source of Product Data）。LSSPD使波音787飞机不仅具有完整几何数字样机，并且具有性能样机、制造样机和维护样机，便于波音企业与分布在全球合作者能顺利地进行产品各项功能协同研制工作。 数字化设计制造体系应用框架 用模线样板- 原则样件措施来协调产品形状和尺寸是老式飞机制造中尺寸传递特点。这个措施是基于产品互相联络制造原则，借助具有特定形状和尺寸专门实物样件，使飞机设计图纸所描述形状和尺寸被传递到所制造零件或产品上。在这个过程中，各个环节所形成原始尺寸某些误差，也伴伴随形状和尺寸传递而转移，这些误差积累（相加或相减），最终体现到产品最终形状和尺寸上。由于老式措施形状和尺寸传递环节多，积累误差大，导致飞机装配困难，极不适应现代飞机产品制造规定。 现代飞机产品制造过程实质，是对一种产品进行并行协同数字化建模、模拟仿真和产品定义，然后对产品定义数据从设计上游向零件制造、部件装配、产品总装和测量检查下游进行传递、拓延和加工处理过程。最终形成飞机产品可以看作是数据物质体现。基于模型定义MBD技术应用，使MBD数据从上游至下游得以无缝传递。从此可知，产品定义数据能在整个制造过程下游各个环节有效地运用起来，即用产品定义数据直接来驱动所有数字化加工和测量设备，直至飞机装配。也正如洛克希德马丁企业所指出那样，数字化主线驱动着J S F 任务关键工程和检查技术。真正发挥了数字化技术长处，这也恰好克服了老式飞机制造技术缺陷。结束语 飞机制造业是国家高技术战略产业，尤其体目前高性能战斗机和大型飞机发展上，它对科技进步具有广泛、持久牵引作用。尤其是数字化技术迅速发展和广泛应用，使老式飞机产品研制过程发生了主线性变革，大幅度地提高了飞机设计制造技术水平，加紧了现代飞机研制整体进程。 尤其在近几年来飞机制造业数字化工程推进下，各级领导也很重视这一新技术应用与推广工作，并且在飞机数字化设计或制造方面，获得了卓有成效进展，尤其在新机研制中，这一新技术优势已开始体现出来。不过，并不等于说我们已经很好地掌握了飞机数字化研制关键技术，充足发挥了数字化新技术在飞机研制中作用。这可从我国目前数字化技术在新机研制或飞机生产中应用深度和广度，并行协同程度、系统集成水平、对应规范编写、缺乏完整数字化网络信息系统、产品数据传播不畅、数字化生产线中断以及应用效果等方面明显地看出。因此，从数字化技术应用总体来看，我国尚存在很大差距，尚有很长一段路要走。文章来源:航空制造技术 11期