大型飛機數(shù)字化設計制造技術應用綜述

1、.大型飛機數(shù)字化設計制造技術應用綜述 北京航空航天大學飛行器制造工程系 于勇 陶劍 范玉青 現(xiàn)代大型客機是先進的噴氣技術和計算機技術密切結(jié)合的高技術產(chǎn)物。但當今世界上大型民用運輸機市場被歐洲空中客車公司和美國波音公司所主宰，其他國家（如俄羅斯等）被逐步地邊緣化，尤其體現(xiàn)在空客A380和波音787飛機的研發(fā)上，其競爭十分激烈，充分體現(xiàn)了國家的戰(zhàn)略利益和民族的意志。同時，A380和波音787飛機的研發(fā)使大型民用運輸機的數(shù)字化技術又達到了一個新的高度。 大型民用運輸機的發(fā)展 在民用航空運輸業(yè)中，大型客機占據(jù)著絕對的統(tǒng)治地位。大型客機在民航運輸中也稱作干線運輸機，它一般指客座大于150、載重3050t

2、以上、滿載航程大于3000km的大中型客機，有時把客座大于400的稱作超大型客機，如波音747 客機和空客公司最新研制的A380客機。按航程劃分，現(xiàn)在常把滿客航程大于600010000km 的稱為中遠程干線運輸機，航行于國際航線上的多是這類飛機，一般是具有雙通道的寬體客機；把滿客航程在5000km以下的稱為中近程干線運輸機，航行于國內(nèi)各大城市之間的多是這類飛機，常被稱為國內(nèi)干線飛機，它們一般是雙發(fā)單通道的窄體客機，如空客A320和波音737系列機。還有一種較小的經(jīng)常飛行在國內(nèi)局部區(qū)域，從大城市到中小城市飛行，載客在120人以下，稱作支線客機，如龐巴迪CRJ系列機、巴西的ERJ系列機、中國的AR

3、J和俄羅斯的SSJ客機等，這類客機也是單通道的支線客機。 大型飛機研制的復雜性 飛機制造業(yè)，特別是大型飛機制造業(yè)不同于一般的機械加工工業(yè)，由于其產(chǎn)品復雜度高，技術難度大，它是一個國家具有戰(zhàn)略性的高技術產(chǎn)業(yè)，是現(xiàn)代科技高度集成的產(chǎn)物，它它是衡量一個國家科技、工業(yè)水平和綜合國力的重要標志之一。大型民用運輸機的研制階段 大型客機產(chǎn)品極其復雜，具有氣動外形要求嚴格、設計更改頻繁、產(chǎn)品構型眾多、零件材料和形狀各異、內(nèi)部結(jié)構復雜、空間緊湊、各類系統(tǒng)布置密集以及零組件數(shù)量巨大等特點。美國的波音747 大型客機，每架零件數(shù)量多達600萬件，其中連接件為300萬個，風洞吹風達15000h，電纜總長274km。其

4、研制階段多、周期長。如空客A380大型客機，從方案可行性到交付使用，正式進入航線，共用了19年時間。大型客機的壽命長，如波音777的設計壽命40年，以后還繼續(xù)服務2030年，總壽命可達70年。波音737和747客機的服務年限都超過了40年。一架大型飛機研制，需要全球協(xié)同，零部件供應商數(shù)千家，如A380客機的供應商達1萬多家，研制過程數(shù)據(jù)管理困難。更重要的是保證飛機安全飛行所需的各種設備，如通信、導航、顯示和飛行控制等軟硬件設備都需采用高新技術。目前還有嚴格的環(huán)境保護要求，如污染排放要少、噪音要低以及燃油利用率要高。所以，從飛機的整個研制過程來看，即從顧客提出對飛機的用戶要求開始，直至飛機設計、

5、制造、交付出廠以及投入航線后的服務工作，飛機的研制過程是一個龐大的系統(tǒng)工程。 數(shù)字化設計制造技術應用特點 在近年來的大型民用運輸機的研制中，無論是空客A380客機，還是波音787客機的研制，都充分體現(xiàn)了數(shù)字化技術是企業(yè)的核心競爭力，是產(chǎn)品創(chuàng)新發(fā)展的最有力工具。因此，數(shù)字化技術的應用，無論在深度和廣度上都有了巨大的發(fā)展，其特點體現(xiàn)在以下5個方面。傳統(tǒng)的飛機研制過程1 數(shù)字化技術從根本上改變了產(chǎn)品研制方法 現(xiàn)代飛機研制方法，從原有的基于物理( 實物) 樣機的串行方式演變成基于數(shù)字樣機的并行方式。以洛克希德馬丁公司為例，原有的傳統(tǒng)研制過程和方法大體分3個階段：概念設計、初步設計和生產(chǎn)設計階段。在這3

6、個設計階段中，都需繪制模線和制作物理樣機來幫助技術人員準確地設計飛機和配置飛機的內(nèi)部空間，研制過程是串行的，產(chǎn)品定義信息的傳遞是不連續(xù)的，其缺點眾所周知。 在現(xiàn)代新機研制中，雖然其產(chǎn)品的研制階段沒有多大變化，但是，它的模線和物理樣機全都由產(chǎn)品的數(shù)字化定義或數(shù)字樣機所替代，而且其研制過程是并行的，便于實現(xiàn)多學科的協(xié)同設計。表波音BOS-600系列規(guī)范 此外，其協(xié)同模式也由原來的基于IPT的集中式協(xié)同，發(fā)展成為基于網(wǎng)絡的分布式協(xié)同，即產(chǎn)品設計協(xié)同團隊IPT不用再集中到一地，而是分布在世界各地，通過網(wǎng)絡進行協(xié)同設計，交換產(chǎn)品的相關設計信息。波音在設計波音787客機中，就通過全球協(xié)同網(wǎng)絡環(huán)境（GCE）

7、，采用了這一最先進的協(xié)同方式。 波音公司在研發(fā)波音787客機中，不僅協(xié)同方式有了重大發(fā)展，而且其研制工作的重心也發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變，波音原來是把飛機產(chǎn)品的各零部件設計信息分發(fā)給供應商去制造，波音監(jiān)管著所有產(chǎn)品的研制進度和質(zhì)量，最后負責飛機的對接總裝和試飛交付，即波音負責著全部飛機的設計工作。但在研制波音787客機中波音做出重大變革，它僅負責飛機的總體設計，把工作量極其繁重的詳細設計工作交給了部件的制造單位（波音的合作方）進行，最后波音僅負責十幾個大部件的對接總裝工作。波音的這種“抓兩頭”的做法是非?？茖W的，它不僅大幅度地減輕了波音公司的工作量，更重要的是詳細設計是生產(chǎn)性設計，這部分設計由最了解產(chǎn)品

8、如何制造的企業(yè)來做是最合適的。波音的這種設計模式也代表了今后飛機產(chǎn)品的設計方向。 2 數(shù)字化技術貫穿了整個產(chǎn)品研制過程 數(shù)字化協(xié)同研制是以業(yè)務過程為中心，具有跨地域/ 多企業(yè)的、動態(tài)的研制特征。從協(xié)同研制全局目標看，產(chǎn)品數(shù)字化協(xié)同研制中有橫向（多學科協(xié)同研制MDO）和縱向（產(chǎn)品全生命周期的協(xié)同）2種模式?；谀Ｐ偷娜梭w工程模擬仿真 在這2種工作模式的基礎上，以產(chǎn)品數(shù)字化定義的研制過程為對象，將處于孤立和離散狀態(tài)的參與研制的不同企業(yè)/部門/人員/信息整合起來協(xié)同工作，并得到完成任務所需的完整的數(shù)字化產(chǎn)品信息描述，保證了研制過程中不同階段、不同部門和不同團隊之間工作的并行及信息的連續(xù)和有效，充分體

9、現(xiàn)了數(shù)字化技術貫穿了整個產(chǎn)品研制全過程，是數(shù)字化條件下的飛機結(jié)構設計的多學科優(yōu)化研制模式。首先，必須組建研制所涉及學科的多學科團隊（IPT）。所涉及學科必須有自己的、有效的分析模型和設計標準。所有的模型必須參數(shù)化。經(jīng)過數(shù)字化的多學科優(yōu)化后，確定最終的設計變量時，結(jié)合幾何外形人員所進行的放樣和氣動外形的風洞仿真試驗結(jié)果。 空客公司從20042007年，組織歐洲多個國家的63個公司參加了VIVACE（Value Improvement through a Virtual Aeronautical Collaborative Enterprise）系統(tǒng)研究項目，共經(jīng)歷了4年時間，構建了多學科協(xié)同研制

10、MDO的系統(tǒng)框架，并在3個航空領域直升機、飛機和發(fā)動機，從可行性研究、概念設計直到詳細設計的全生命周期里進行了應用性研究。在空客A380的研制過程中，充分利用了多學科協(xié)同研制的思想進行飛機的設計?；谀Ｐ投x的波音787對接總裝仿真 數(shù)字化技術不僅體現(xiàn)在設計過程中，也體現(xiàn)在后續(xù)的制造環(huán)節(jié)中。波音公司在貫徹數(shù)字化技術的同時還實行了精益生產(chǎn)。在此過程中，為了便于產(chǎn)品的數(shù)據(jù)管理和構型控制，把飛機產(chǎn)品分成了幾千個模塊，在構型控制時，按照有效性使客戶飛機產(chǎn)品由不同的模塊組成，并相應地對生產(chǎn)流程劃分成3個精簡作業(yè)流程(TBS) ：TBS1、TBS2(A、B) 和TBS3，根據(jù)模塊性質(zhì)，不同模塊分屬到3個精

11、簡作業(yè)流程中。這樣，完全實現(xiàn)了產(chǎn)品數(shù)字化定義的數(shù)據(jù)能暢通地傳遞到飛機制造和裝配廠的生產(chǎn)下游，并直至飛機的使用和維護。 在波音787客機的研制中，還構建了飛機的物理模型、制造模型、性能模型和維護模型。協(xié)同設計團隊由早期的DBT（Design Build Team）發(fā)展到IPT（Integrated Product Tam），以及最新的LCPT（Live Cycle Product Team）。它從另一方面，體現(xiàn)了數(shù)字化技術貫穿了整個產(chǎn)品研制過程。 3 數(shù)字化定義技術向MBD（全三維）技術發(fā)展 由于在通常的CAD系統(tǒng)中，工程技術人員所建立的產(chǎn)品數(shù)字化模型僅是三維幾何模型，而制造工藝信息還在二維圖紙

12、上。 這樣僅依據(jù)三維幾何模型往往難以進行產(chǎn)品的生產(chǎn)和檢驗。也就是說，三維模型中技術人員不能以簡單明了的方式將生產(chǎn)工藝、模具設計與生產(chǎn)、部件裝配、部件與產(chǎn)品檢驗等工序所必須的設計意圖添加進來。三維模型雖然包含了二維圖紙所不具備的詳細幾何形狀信息，但三維模型中卻不包括尺寸和公差的標注、表面粗糙度、表面處理方法、熱處理方法、材質(zhì)、結(jié)合方式、間隙的設置、連接范圍、潤滑油涂刷范圍、顏色、要求符合的規(guī)格與標準等僅靠幾何形狀而無法表達的( 非幾何) 信息。另外，在三維建模中，基于形狀的注釋提示、關鍵部位的放大圖和剖面圖等能夠更為靈活而合理地傳達設計意圖的手段也存在不足。這在實際工程中就產(chǎn)生既用三維模型，又離

13、不開二維圖紙的矛盾狀態(tài)。從數(shù)據(jù)管理看，數(shù)據(jù)源的二元性，難以保持數(shù)據(jù)的一致性?；谶@些所面臨的嚴重問題，美國機械工程師協(xié)會于1997年在波音公司的協(xié)助下開始進行有關MBD(Model Based Definition) 標準的研究和制定工作，于2003年成為美國國家標準“Y14.41 DIGITALPRODUCT DEFINITION DATAPRACTICES”（數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)的實施）。波音公司在本標準基礎上，做了進一步研發(fā)工作，制定了公司的基于模型定義MBD技術應用規(guī)范BDS -600系列（實際上還有幾百項與MBD相關的規(guī)范），如表1所示。 在此過程中其主導思想不能只是簡單地將二維圖紙的

14、信息反映到三維數(shù)據(jù)中，而要充分利用三維模型所具備的表現(xiàn)力，去探索便于用戶理解且更具效率的設計信息表達方式，其中包括大量的非幾何信息，如零件表、設計規(guī)范和工藝信息等。這樣，才能不再使用百年來的工程師語言藍圖（二維圖紙）。而在貫徹MBD思想時，最為艱難的是“要從二維圖紙文化這種現(xiàn)有概念中跳出來，從零開始研究新的信息表達方式”。為此，首先應針對概念設計、初步設計、詳細設計、生產(chǎn)準備、評估與檢驗等每個階段，弄清楚“哪些是產(chǎn)品制造中所必須的信息”。而這些信息都體現(xiàn)在MBD技術應用規(guī)范BDS-600系列中，并且波音在研制波音787客機中得到了很好的貫徹，已取得了十分明顯的進展，而且也得到國際上的廣泛認同。

15、4 數(shù)字化定義技術與其他先進技術相融合 隨著計算機技術、數(shù)控加工及成形技術、數(shù)字化測量技術、復材構件成形技術和先進裝配技術的不斷發(fā)展，以及精益生產(chǎn)、并行工程等先進理念的誕生和應用，使現(xiàn)代飛機的協(xié)同研制處于不斷的變革之中，傳統(tǒng)技術不斷精化，新材料、新結(jié)構、新的加工成形技術不斷創(chuàng)新，集成的整體結(jié)構、復材構件和數(shù)字化技術構筑了新一代飛機先進制造技術的主體框架。數(shù)字化技術的采用大幅度地提高了飛機設計制造技術水平，加快了現(xiàn)代飛機研制的整體進程。所有這一切都體現(xiàn)在空客和波音公司的新機研制中，特別是A380和波音787飛機的研制中，他們使數(shù)字化應用技術與其他先進理念和技術相結(jié)合，才使數(shù)字化應用技術在飛機研制

16、中發(fā)揮了巨大的效益。他們認真地研究了怎樣使數(shù)字化技術與其他先進理念（精益生產(chǎn)、并行工程）以及先進技術（數(shù)控加工及成形技術、數(shù)字化測量技術、飛機裝配技術和質(zhì)量保證技術等）相結(jié)合，使它們能集成在一起、融合在一起，發(fā)揮先進技術的整體效益，這樣才能充分發(fā)揮數(shù)字化技術在飛機研制中的真正作用。 正是數(shù)字化定義技術的廣泛而深入的應用，大力推動著數(shù)字化測量、加工技術及相關數(shù)字化技術的發(fā)展，反之亦然。如精確的數(shù)控切邊和鉆孔技術、數(shù)字化測量技術、激光投影技術、數(shù)字化復材鋪層技術、數(shù)字化裝配技術和數(shù)字化仿真技術等先進技術得到了快速的發(fā)展和應用。 需要特別指出的是，這些數(shù)字化設備，是直接利用產(chǎn)品的基于模型數(shù)字化定義數(shù)

17、據(jù)來驅(qū)動的，即產(chǎn)品的零部件加工和生產(chǎn)用工裝制造，直到飛機的裝配設備，都可直接根據(jù)基于模型定義MBD 數(shù)據(jù)進行，體現(xiàn)了數(shù)字化技術與其他先進技術的融合。這樣基本上沒有中間的數(shù)據(jù)傳遞環(huán)節(jié)，消除了形狀和尺寸的傳遞誤差，即所謂裝配過程中實現(xiàn)了“零誤差”，保證制造出高質(zhì)量的飛機產(chǎn)品。5 數(shù)字化技術已經(jīng)形成完整的應用體系 從飛機的整個研制過程來看，即從顧客對飛機提出要求開始，直至飛機設計、制造、交付出廠以及投入航線后的服務工作，飛機的研制過程是一個全球性的龐大的系統(tǒng)工程。因此，必須有基于能覆蓋全球的、完整的數(shù)字化網(wǎng)絡信息系統(tǒng)，才能研制出現(xiàn)代的大型飛機，無論是波音還是空客公司，都無一例外。 波音公司在全球協(xié)同

18、環(huán)境GCE中使用DOORS IGE-XAO、CATIA V5、DELMIA V5、ENOVIA 和Teamcenter等不同軟件作為產(chǎn)品建模和數(shù)據(jù)管理的工具，ENOVIA（包括SmartTeam、LCA和IPD）系統(tǒng)作為在不同研發(fā)階段的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理軟件，并用來構建邏輯相關的單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源LSSPD（Logical Single Source of Product Data）。LSSPD使波音787飛機不僅具有完整的幾何數(shù)字樣機，而且具有性能樣機、制造樣機和維護樣機，便于波音公司與分布在全球的合作者能順利地進行產(chǎn)品各項功能的協(xié)同研制工作。 數(shù)字化設計制造體系應用框架 用模線樣板- 標準樣件方法來

19、協(xié)調(diào)產(chǎn)品的形狀和尺寸是傳統(tǒng)飛機制造中尺寸傳遞的特點。這個方法是基于產(chǎn)品相互聯(lián)系制造的原則，借助具有特定形狀和尺寸的專門實物樣件，使飛機設計圖紙所描述的形狀和尺寸被傳遞到所制造的零件或產(chǎn)品上。在這個過程中，各個環(huán)節(jié)所形成的原始尺寸的一些誤差，也伴隨著形狀和尺寸的傳遞而轉(zhuǎn)移，這些誤差的積累（相加或相減），最終體現(xiàn)到產(chǎn)品的最后形狀和尺寸上。由于傳統(tǒng)方法的形狀和尺寸傳遞環(huán)節(jié)多，積累誤差大，造成飛機裝配的困難，極不適應現(xiàn)代飛機產(chǎn)品制造的要求。 現(xiàn)代飛機產(chǎn)品制造過程的實質(zhì)，是對一個產(chǎn)品進行并行協(xié)同的數(shù)字化建模、模擬仿真和產(chǎn)品定義，然后對產(chǎn)品的定義數(shù)據(jù)從設計的上游向零件制造、部件裝配、產(chǎn)品總裝和測量檢驗的下游進行傳遞、拓延和加工處理的過程。最終形成的飛機產(chǎn)品可以看作是數(shù)據(jù)的