民用飛機(jī)數(shù)字化研制的探索與研究

陳魯峰　王冰

【摘 要】本文簡(jiǎn)述了民用飛機(jī)數(shù)字化研制的發(fā)展和國(guó)內(nèi)外的進(jìn)展情況。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；數(shù)字化

0 概述

大型飛機(jī)研制涉及的學(xué)科領(lǐng)域廣，技術(shù)難度大，是一項(xiàng)極為艱巨和復(fù)雜的重大系統(tǒng)工程。隨著計(jì)算機(jī)集成制造、并行工程和虛擬企業(yè)等先進(jìn)技術(shù)和理念的出現(xiàn)，飛機(jī)的研制模式也由人工化向數(shù)字化模式轉(zhuǎn)變。

20世紀(jì)90年代初，波音公司在研制波音777時(shí)首次采用了無(wú)紙?jiān)O(shè)計(jì)、并行工程等數(shù)字化技術(shù)，率先實(shí)現(xiàn)了100%的數(shù)字化產(chǎn)品定義（DPD）和三維數(shù)字化預(yù)裝配（DPA），使得波音777的研制周期比波音767幾乎縮短了50%。

1 基于模型定義的數(shù)據(jù)（MBD）的研究

數(shù)字化條件下，DMU（Digital Mock-Up）數(shù)字樣機(jī)審核技術(shù)的大量應(yīng)用，替代以前依靠二維圖或三維數(shù)模+二維圖飛機(jī)定義方式，使得設(shè)計(jì)、工藝能夠在更直觀、信息更豐富的三維可視化環(huán)境下進(jìn)行并行研制。

MBD不是簡(jiǎn)單地將二維圖紙的信息反映到3D產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)中， 而是充分利用3D產(chǎn)品模型集成的完整地表達(dá)產(chǎn)品全部信息， 包括產(chǎn)品尺寸、形狀、制造工藝和檢驗(yàn)檢測(cè)等信息，在生產(chǎn)制造過(guò)程中MBD使3D產(chǎn)品模型作為唯一依據(jù)。各業(yè)務(wù)部門(mén)人員可以基于一個(gè)產(chǎn)品模型協(xié)同工作，使用者能夠更加直觀， 準(zhǔn)確的獲取生產(chǎn)檢驗(yàn)的信息。

目前，單純從三維表達(dá)及FTA標(biāo)注技術(shù)本身而言，主流的三維軟件如CATIA基本可以滿(mǎn)足MBD 標(biāo)注的需求，但MBD 技術(shù)的核心不僅僅要求MBD 模型完全可以包含原先二維圖紙的標(biāo)注信息，更關(guān)鍵的問(wèn)題是在MBD 模型的基礎(chǔ)上，如何面向產(chǎn)品研制生命周期的所有使用人員，開(kāi)展并滿(mǎn)足其使用更加方便、直觀、便于理解、更加高效的產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息表達(dá)方法和數(shù)據(jù)信息的傳遞方式，建立一個(gè)面向產(chǎn)品生命周期協(xié)同研制的基于MBD 模型的數(shù)字化技術(shù)體系。

2 數(shù)字化裝配研究

一架完整的飛機(jī)零件數(shù)量往往數(shù)十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)以上，絕大部分的零件都是通過(guò)數(shù)量龐大的緊固件組合在一起的，因此零件連接設(shè)計(jì)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占有非常重要的地位，緊固件設(shè)計(jì)的好壞直接影響到飛機(jī)的安全和性能，而緊固件設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確高效、飛機(jī)裝配車(chē)間高質(zhì)量的信息讀取和檢查一直是飛機(jī)研制中的瓶頸和核心問(wèn)題。

MBD設(shè)計(jì)還有助于制造單位采用先進(jìn)加工裝配工藝和設(shè)備，如零件制造中的數(shù)控機(jī)加工、自動(dòng)檢驗(yàn)，裝配車(chē)間的激光定位、自動(dòng)鉆鉚、自動(dòng)裝配、Indoor GPS裝配，在線實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)等，有了基于3D的全部設(shè)計(jì)參數(shù)，可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)間內(nèi)的任何零件、緊固件實(shí)現(xiàn)定位和裝配過(guò)程；同時(shí)一目了然的緊固件也便于工藝人員按需要編排零組件的裝配工序、工藝分離面等。 精確的MBD裝配設(shè)計(jì)便于對(duì)全部緊固件的管理，通過(guò)對(duì)三維坐標(biāo)點(diǎn)和直線的描述，可以精確定位編號(hào)所有緊固件，有利于對(duì)漏鉚緊固件的數(shù)量、位置檢查，將來(lái)配合手持定位設(shè)備與電腦數(shù)模比對(duì)，可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝配質(zhì)量及制造符合性。

目前也有可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似功能的商用軟件，如達(dá)索的CATIA V6中的緊固件模塊、德國(guó)西門(mén)子公司收購(gòu)的VISTAGY公司開(kāi)發(fā)的飛機(jī)機(jī)體設(shè)計(jì)環(huán)境軟件ADE （AIRFRAME DEVELOPMENT ENVIRONMENTS），目前Boeing、Goodrich等公司通過(guò)部分采用ADE管理機(jī)體設(shè)計(jì)與制造的整個(gè)流程，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，取得了比較顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

3 我國(guó)民用飛機(jī)數(shù)字化研制進(jìn)展

目前， 在我國(guó)新研航空產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)正在發(fā)展為全三維設(shè)計(jì)，基于MBD技術(shù)也已取得了很大的進(jìn)展。但基于3D產(chǎn)品模型的數(shù)字化審核技術(shù)、全三維工藝和產(chǎn)品制造技術(shù)及體系尚不成熟，應(yīng)用體系有待建立。

ARJ21-700飛機(jī)在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)始數(shù)字化飛機(jī)研制的進(jìn)程，大大提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。但受限于當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)方法及軟硬件平臺(tái)水平，ARJ21飛機(jī)采用了三維模型+二維圖紙的方式定義產(chǎn)品數(shù)據(jù)，雖然建立了全三維電子樣機(jī)模型，但緊固件裝配及具體工藝制造信息還表達(dá)在二維圖紙上，給設(shè)計(jì)及工藝裝配確實(shí)也帶來(lái)了較大的工作量和更改返工。

C919飛機(jī)從2009年工程樣機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)始，首次實(shí)現(xiàn)完全采用MBD方法及規(guī)范開(kāi)展全三維設(shè)計(jì)。使用FTA進(jìn)行尺寸、公差、附注等信息的標(biāo)注，使用CATIA模型的附加屬性來(lái)表達(dá)產(chǎn)品特性、工藝制造信息，同時(shí)借助CAFE（COMAC Airframe Fastener & Fit Environment）飛機(jī)緊固件裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)的支撐，利用產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）平臺(tái)實(shí)現(xiàn)全新的在線設(shè)計(jì)理念，在國(guó)內(nèi)第一次實(shí)現(xiàn)高效的全三維MBD飛機(jī)設(shè)計(jì)，取得了重要的技術(shù)突破，如圖1所示。

C919全三維數(shù)字化技術(shù)的整體應(yīng)用水平比之前上了一個(gè)臺(tái)階，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)建模規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，有效提高了設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)效率和質(zhì)量，因不協(xié)調(diào)產(chǎn)生的設(shè)計(jì)低級(jí)錯(cuò)誤在大客的研制中非常少出現(xiàn)，有效降低了因此引發(fā)的設(shè)計(jì)更改導(dǎo)致的生產(chǎn)周期延誤和研制成本增加。

圖1 CAFE環(huán)境下的MBD設(shè)計(jì)

4 結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)在民機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)領(lǐng)域基礎(chǔ)還非常薄弱，轉(zhuǎn)包生產(chǎn)的國(guó)外飛機(jī)零件在數(shù)字化信息的讀取及應(yīng)用方面基本停留在人工識(shí)圖和簡(jiǎn)單操作層面。需借鑒國(guó)外發(fā)達(dá)航空制造企業(yè)的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)， 開(kāi)展適合于我國(guó)航空產(chǎn)品的MBD數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用研究，建立基于三維產(chǎn)品模型航空產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)、工藝與制造的集成應(yīng)用模式。

【參考文獻(xiàn)】

[1]范玉青，梅中義，陶劍.大型飛機(jī)數(shù)字化制造工程[M].中航出版社，2011-9-1.

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