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飞机全数字样机设计并行工作平台的建设与应用

来源:互联网 责编:ldzldz 作者:宁振波 时间:2007-09-14

1、前言
在以信息技术革命为主要特征的知识经济时代,航空各科研院所、企业抓紧时机流程再造,增强自身的核心竞争能力已是当务之急。正如十六大报告中提出的“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路子。” 。在这种形势下,隶属于中国航空工业第一集团公司的西安飞机设计研究所,与时俱进,抓住难得的机遇,首次在中国设计了飞机全机规模数字样机。飞机全机数字样机的问世,标志着西安飞机设计研究所飞机设计水平已进入数字化设计阶段。实现了飞机设计手段与国际飞机设计手段的接轨。数字化设计飞机的成功制造与试飞;为我国航空行业由传统的飞机研制模式向飞机数字化设计制造的现代化飞机研制模式的转变奠定了坚实的基础。

2、飞机数字化研制模式分析
自我国的航空航天工业建立开始,由于受传统的设计制造方法和工具的限制,如手工图纸设计、手工操作机械加工方法,统称为模线样板法。其过程是经过图纸→模线→样板→样件→工装模具夹具→产品等众多的复杂环节。它的本质是以模拟量传递的产品研制方法,飞机工厂的一切活动围绕着它进行,是一种不得不采用的少、慢、差、费的串行工作方法,严重影响着企业的技术进步。

上世纪飞速发展的计算机及数控技术,首先就应用到了航空航天工业;可以说,是对传统的产品研制过程的革命性变革。由CAD→CAE→NC→CAT和PDM等先进技术代替了传统的手工方法,其本质是数字量传递的产品研制方法,所以称它为数字化设计制造技术,它省去了大量的模线、样板、样件和工装等模拟量传递工具,是一种优质、高效、低成本的先进技术,它从整体上彻底地改变了传统的工程研制过程及其技术体系。

数字化设计制造技术是指利用计算机软、硬件及其网络环境,实现产品全过程设计/制造/管理的一种技术;它不同于一般的单项先进技术,它是在网络和计算机辅助下通过产品数据模型,全面模拟产品的设计、分析、装配、制造等过程。数字化设计制造技术不仅贯穿企业生产的全过程,而且涉及企业生产线上的设备布置、各条生产线的匹配、物流规划、物料配送、生产计划、成本核算等多个方面。数字化设计制造技术的应用可以大大提高产品质量、提高劳动生产率、提高企业产品开发能力、缩短产品研制周期、降低开发成本、实现最佳设计目标和企业间的协作,使企业能在最短的时间内组织大范围内的资源开发出新产品,大大提高企业的竞争能力。因此,这一先进技术对企业作用之大、影响之深远没有哪一项技术能与它相比。

数字化设计制造技术集成了现代设计制造过程中的多项先进技术,包括三维建模、装配分析、优化设计、工程分析、系统工程、产品数据管理、虚拟设计与制造、多媒体与网络通讯等,是一项多学科的综合技术。涉及的主要内容有:
— CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM技术
—  异地协同设计平台
—  基于知识的设计资源库
—  虚拟设计与虚拟制造
—  概念设计与工业设计
—  绿色设计
—  并行工程

由以上对数字化设计制造技术的综述可知,其核心是协同设计平台支持下的三维CAD技术。为确保在型号研制中全面采用三维CAD飞机设计技术。必须制定一整套较完整、先进、实用性强的协同设计平台建设技术实施方案。飞机数字化协同设计平台建设考虑的重点问题如下:
—  项目国内外合作伙伴公司之间的应用软件通用性
—   项目管理软件系统的兼容性
—  项目计算机硬、软件、网络建设和系统的匹配性
—  项目国内航空工业各单位计算机硬、软件的相对一致性
—  项目供应商软、硬件、系统方案的先进性、成熟性、可靠性和发展性
—   项目计算机硬、软件配置的统一规划、分步实施的原则
—   系统应用的历史状况和数据资源保护

这样的技术思路决定了数字化协同设计平台要以应用为中心,既以CAD系统为第一选型目标,CAD系统确定之后,再根据CAD软件的要求,配置相应的硬件、系统软件、网络系统及其它应用软件;构成一套较完整的飞机数字化设计系统。因此,CAD系统的正确选择,是整个项目成败的关键所在。鉴于当时国内尚没有成熟的三维CAD系统可选,并考虑现有资源的利用和CAD软件的发展趋势及服务保障,以及实施PDM的情况,我们结合实际型号需要,最终选择了国际上尚没有应用先例的以CATIA V5为核心的CAD系统。

通过艰苦攻关,我所在中国飞机研制中,率先采用并行工程和无纸设计技术,实现了应用国际先进CAD软件CATIA V5进行三维外形建模、三维结构设计、数字化结构件和主要飞机系统件的预装配,最终建成了五万多个零组件、四十三万个标准件、可全面应用于生产的全机数字样机。

经过制造、总装、试飞的全面检验,已经证明采用数字样机缩短了60%的设计周期,并且提高了设计质量,减少了40%的设计反复,大大缩短了试制周期,提高了制造质量,减少了制造返工。


3、数字化设计/制造/管理平台规划建设
“九五”期间,我所参加了《飞机异地无纸设计》课题和《航空CIMS》重点工程,在零部件级数字化设计方面取得了一定的经验和实效。借鉴国外先进经验,形成了我们数字化设计/制造/管理平台的框架如下:

图1:西安飞机设计研究所数字化设计/制造/管理平台的框架

—   初步建立基于中国航空工业第一集团公司专用网(金航网)和我所局域网及数据库的基本技术支持系统,为最终建立航空现代集成制造系统奠定基础。

—   以数字化设计制造技术为核心,重点突破三维数字化产品定义(DPD)、虚拟装配、产品数据管理(PDM)、并行工程(CE)等四个方面的技术在航空工业飞机研制中的应用,并探讨建立新型号飞机多厂所联合研制系统相应的运行机制和管理制度。解决型号研制中信息集成和过程集成的关键,最终使我国飞机研制的水平和能力有一个较大的提高。

—   以国际标准为模板,建立科学的数字化技术应用体系。学习贯彻国标、国军标和航标中有关计算机应用的规范、标准,进而结合飞机设计所的特点建立自己的规范体系。编写、补充、完善所内有关计算机和CAD技术应用的规章制度和技术标准。

—   应用VPM(虚拟产品管理软件)实施贯穿飞机设计周期的PDM产品数据管理,实现分布式、异地飞机产品的数字化构型控制,数字化产品定义的审批、发放和更改流程控制。

—   数字化技术培训,采用自己培训、国内委托培训和送国外培训等多种方式,全面多层次培训各类CAD、CAE、PDM等应用技术人员。组织飞机设计专业人员学习软件工程理论。 

—   全面推广应用数字化管理技术,提升办公自动化应用水平,最终将型号管理、数据管理、OA、资源共享、应用服务等纳入同一个平台体系。

     我国从“六五”“七五”开始到现在,已经走过了数字化技术研究、数字化技术中关键应用软件开发和数字化技术推广应用几个阶段,我所在军、民用飞机研制中技术的应用也遵从了这个规律。在飞豹飞机的研制中,我所主要是通过课题研究推动数字化技术应用,并注重于技术的先进性和实用性,注重于采用国内外先进技术为型号研制服务。

    

4.数字化技术的最新发展与对策

现代集成制造系统(CIMS)将是新时代航空工业技术的发展方向,新一代航空器都是采用一体化、信息化、综合化和智能化的设计。美国波音777飞机是民用飞机研制首次使用并行工程和无纸设计技术的典范。由于采用了数字化设计制造技术,大大缩短了研制周期,大幅度降低生产成本,其产品质量也是传统方式难以达到的,被认为是“最先进、最舒适和维护使用性能最好”的飞机。

美国联合攻击战斗机(JSF)是20世纪最后一个重大的军用飞机研制和采购项目。在波音公司和洛克希德·马丁公司的竞争中,洛克希德·马丁公司最终胜出并取得了这笔价值1890亿美元的巨额合同。

JSF不仅是多年来第一种满足多军种使用需要(既通用性)的战斗机,还是第一种在一条生产线上生产的具有多种配置(既多变性)的战斗机。JSF包括三种类型的飞机,一种是空军常规起落型(CTOL),另一钟是美国海军的舰载型(CV),最后是美国海军陆战队和英国皇家海军用的短距起飞垂直着陆型(STOVL)。

为使洛克西德-马丁公司为主的全球50家企业可以协同设计、制造、测试、部署以及跟踪JSF整个项目的开发,从而按时完成JSF合同。洛克西德-马丁公司没有采用SAP的ERP系统,重新改组公司的流程,而采用了EDS公司的全生命周期管理(PLM)软件为集成平台,构建了全球性的虚拟企业。

图2:JSF信息技术体系结构



如上图所示。由于JSF产品的复杂性,只有采用数字化生产方式才能作到。它是以数字化为基础,以项目为龙头,构建全球性虚拟企业,组成最优能力中心,以此来增强项目和企业的灵活性和敏捷性。

上图中,JSF的数字化技术包括以下几个方面:基于Web的数据交换和共享,它的数字化体系由四个平台组成,既集成平台,网络平台,业务平台和商务平台。
  集成平台采用TEAMCENTER产品全生命周期管理软件(PLM);
  网络平台采用VPN、LAN、WAN 、Internet和各种应用系统组成的应用平台。
  业务平台由各种应用软件构成,如:文档管理,虚拟现实,材料管理,零件管理,CAD设计软件及相关接口,数字化工厂的设计仿真软件包,企业资源计划和工厂管理软件。
  商务平台包括为用户提供访问其他系统数据的各类接口。

另外,整个JSF项目本身的软件数量也是前所未有的,估计有一千五百万行代码将对飞机提供支持,其中机载软件约六百万行,九百万行用于地面部分。要启动这个软件体系需要准备好35个软件进程和大约400个软件工具。从这个意义上讲,JSF飞机是一个“会飞的计算机”。

从JSF飞机的数字化发展来看,数字化从根本上改变了现行的设计制造管理的方式、方法和手段,必将推动制造业的技术革命。它的思路对中国航空工业的数字化有一定程度的参考价值。

参考文献:
1.  范玉青,现代飞机制造技术,北京航空航天大学出版社,2001年6月
2.  EDS公司演讲稿, JSF项目中的PLM技术的应用,2002年6月
3.宁振波,为什么在我所飞机型号项目中选择CATIA?   IBM2000年CATIA用户大会论文集,2000年7月
3.  宁振波,数字样机在飞机设计中的应用,航空制造技术,2002年10月
(注明:本文发表在《航空制造技术》2003年3月航空CIMS专辑)