民用飛機數字樣機建模與仿真技術初步研究

陳 裕 /

(上海飛機設計研究院，上海201210)

0 引言

在早期的飛機研究過程中，需要通過制作真實縮比例物理樣機來驗證飛機設計的空間幾何的協調性，一般來說，飛機研制過程是串行的，若前面一階段未完成驗證，則無法繼續開展下一階段的設計改進工作[1]。

隨著技術的進步，尤其是基于數字樣機建模與仿真的CAD/CAE(Computer Aided Design/ Computer Aided Engineering)等工具與手段迅速發展，在現代大飛機研制過程中，傳統的物理樣機已經被數字化的三維數字樣機所替代，如20世紀90年代，在波音777飛機的研制過程中，數字樣機技術得到了應用。按照國標GB/T26100-2010的定義[2]：數字樣機是對產品整機或具有獨立功能的子系統的數字化描述。相對物理樣機而言，數字樣機核心是借助計算機技術構建的產品數字化模型，這些模型從幾何、物理和行為等方面能夠反映真實產品的特性。

同時，基于數字樣機，從方案論證到詳細設計需完成：基于數字化模型開展系統配置與協調；系統管路、電纜定位及取樣協調；運動間隙控制與協調；駕駛艙、客艙、貨艙、電子電氣設備艙等艙段或部段的內部布置與協調；人機工效設計與檢查；重要協調區域安全性、維修性協調等，跨部門和跨專業協調設計可以方便實現，研制過程可以并行。基于數字樣機的飛機研制流程與傳統物理樣機的研制流程相比較，其關系如圖1所示。

圖1 基于數字樣機和基于傳統方法的飛機產品開發模式

1 數字樣機的建模與仿真定義

數字樣機建模與仿真是大型民用飛機數字化的主要工作內容，狹義上的數字樣機建模，即對飛機幾何特性的數字化的描述，建模的結果一般也稱為數字樣機或幾何樣機。

狹義上的數字樣機仿真一般指在三維建模系統中，針對模型的幾何協調關系進行運動仿真，如活動部件和機構仿真，以確定布置是否協調和滿足空間要求，如維修性、可達性的仿真，以確定飛機的維修特性是否滿足需求。廣義上的數字樣機仿真還包括在性能分析中，利用CFD(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)、熱、磁、結構有限元分析等仿真軟件，對全機或部件在與飛機使用相關的環境中(如飛行大氣環境、特定的受載荷環境等)的空氣動力學、溫度場、電磁兼容、結構動力學等特性進行仿真；在工程模擬器中，模擬駕駛艙環境、通過人在回路進行操作，對飛機或系統的綜合特性進行仿真[3]。

由此，數字化建模將飛機產品研制過程中的飛機特性與使用場景全部通過計算機仿真實施，可以簡化飛機設計程序，提升飛機設計協調效率，縮短了研制周期，降低研制成本，提高飛機設計精度。

2 數字樣機建模與仿真的業務流程

對于民用飛機的研制而言，數字樣機建模與仿真的工作涵蓋在從概念設計到試驗、試飛取證的每個階段，經過歸納與總結，其流程與步驟主要包含以下8部分的內容：

1)問題定義：確定數字樣機業務需求；

2)項目規劃：制定數字樣機研制的目標與規劃(包括硬件、軟件、人力等資源)；

3)系統定義：確定數字樣機的范圍、功能、邊界條件等；

4)建模規則定義：制定數字樣機建模要求、數據格式要求、樣機協同方法、控制流程、管理流程、協調流程等；

5)建模：收集協調模型所需要的設計輸入，開展建模；

6)模型校核：檢查數字樣機是否正確地反映了輸入輸出關系以及是否正確地表示了飛機實物的特性；

7)仿真：對數字樣機進行檢查、協調、分析、試驗驗證；

8)分析與解釋：對仿真結果進行評價。

3 數字樣機建模與仿真的難點與關鍵技術

隨著數字樣機建模與仿真的技術不斷發展，目前，其在民機研制過程中應用的廣度與深度也不斷提升，對于建模與仿真還存在以下幾個難點與關鍵技術。

3.1 數字化建模技術

數字樣機最早伴隨CAD技術的產生而提出，最初發展階段的數字樣機建模技術，需設計人員通過使用專業三維數模建模軟件對零部件進行精確地幾何建模，生成飛機各種形狀零部件的三維模型實體及曲面，但是所構成的三維數模無法集成各類工藝信息，因此設計人員需要將三維數模轉化為二維圖紙，并在二維圖紙中加入所需要的工藝流程以及各類設計的信息表述。因此，在實際設計生產過程中，設計人員不僅要進行三維建模，還需轉化為二維圖紙以加入更多的非幾何信息。這種通過二維圖和文字來重構三維產品模型的方法，容易產生二次錯誤風險，難以保證數據的一致性[1]。

2003年，美國機械工程師協會(American Society of Mechanical Engineers，簡稱ASME)發布了關于三維模型標注信息內容的標準(ASME Y14.41)[4]，波音公司在波音787飛機中全面推出了一種完全不同于工程圖的、全新的定義產品技術——基于模型的定義(Model Based Definition，簡稱MBD)，使得整個項目周期縮短約30%。

MBD 技術在過去三維設計、二維表達方法的基礎上，將飛機產品特有的所有幾何信息和過去不包含在飛機產品定義里的非幾何特征信息整合在一個模型中，建立基于MBD 的幾何定義、屬性信息、材料信息、工藝要求等的產品信息的完整描述，并通過PDM(Product Data Management，簡稱PDM)平臺建立以三維模型為核心的設計制造無遺失的信息傳遞模式，保持整個過程的數據唯一性，真正達到飛機研制的協同設計、異地制造目的。MBD技術的關鍵是建立一個結構合理、信息完整的高質量MBD數據集。一般來講，MBD數據集包含的信息如圖2所示[5]。

圖2 MBD數據集所包含信息

3.2 數字樣機建模/仿真數據管理平臺構建技術

對于民用飛機數字樣機來說，為保障建模/仿真數據模型數據構型狀態清晰、可控，需要搭建相應的管理平臺，管理在飛機各個設計階段的數字化三維模型和其它數據，對全機、部件和各個系統，都應建立詳細的產品結構樹，對產品的數字化定義、版本、更改單、成熟度、裝配特性、工藝特性等進行全面的管理[1]。同時，為了滿足研制的全球化及異地協同的需求，平臺搭建過程中，必須具備足夠的可靠性和安全性，能夠對設計工作的并行性、協同化進行支持。

平臺的構建應充分調研和評估可利用的商業成熟產品，并利用已有型號積累的數字化資源進行充分的驗證。還需要做好建模、仿真工具和平臺之間的數據流的集成工作，優化建模、仿真設計以及模型的全生命周期管理與工程流程的集成。

3.3 數字樣機仿真的可視化技術

構造一個準確、完整、理想化的模型是很難的，傳統數字樣機在可制造性、可維護性、人機工程等需要人機交互方面的模型及仿真相比較于物理樣機來說不夠直觀，隨著近年來虛擬可視化技術的發展，基于計算機的可視化的價值得到了普遍認可。

為了更真實地模擬和體驗飛機的典型環境，需要應用VR (Virtual Reality，簡稱VR)技術來搭建基于數字樣機可視化沉浸式虛擬和展示環境，如圖3所示。有沉浸感的虛擬樣機具有與物理樣機一樣的真實感，使其與人的交互與物理樣機的效果接近，成為物理樣機的合格替代者。沉浸式虛擬樣機平臺的實施，需要的經費較多，重點需要關注平臺搭建的軟硬件，要盡量采用開放性的、模塊化的系統體系結構，最大限度地采用目前流行的產品和標準，平臺應能夠集成各類已有的建模與仿真工具。

沉浸式虛擬數字樣機的建立，對于民機研制過程可以應用在機身整體、各個分系統、駕駛艙或客艙內部立體化人機工程分析與展示，多人協同虛擬裝配分析、虛擬拆裝、維修維護培訓等方面，提供了一個可操作、虛擬交互和輔助決策及設計、方案驗證及協調平臺，可以有效提升產品設計水平。

圖3 VR技術在數字樣機仿真中的應用

3.4 飛機多領域系統建模與仿真集成

伴隨CFD計算、CAE分析、系統仿真和數值計算等技術的不斷發展及其與數字樣機可視化技術的深度融合，可以基于計算機模型進行產品機、電、熱、磁、聲等多學科性能的建模、仿真、分析和展示，數字樣機范圍從早期狹義的幾何樣機發展到性能樣機階段。對于飛機的性能仿真，如飛機的氣動、飛行動力學、載荷、熱的建模與仿真，目前已經有了廣泛的應用，但是對于這些多學科仿真的集成，還需開展廣泛的研究工作，尤其是對于不同的仿真工具所構建的模型的集成工作，可以借助于相應的接口標準或開發相應的接口工具來實現。另外，對于飛機系統間交聯耦合和系統綜合性能，還需要通過多學科優化技術進行系統綜合性能的優化[6]。

目前，傳統數字樣機僅用于描述飛機的理論幾何狀態，并未考慮飛機在實際使用環境狀態下的幾何狀態，即飛機性能樣機的各集成仿真結果對于飛機幾何特性的影響，尚未集成到飛機的幾何數字樣機上。因此，有必要定義描述飛機實物實際使用特性的數字樣機，這項工作的開展對于基于幾何樣機的協調結果的仿真準確性有著極為重要的支撐，并能顯著降低飛機研制的風險。特別對于飛機上空間緊張、受環境影響較大的區域，如民機超臨界機翼的后緣區域的系統布置，由于空間受限，需要對布置隔離間隙進行合理分配，確保能滿足飛機飛行安全的需求。對于傳統的幾何樣機的空間協調來說，可能基于某一構型狀態下的機翼幾何特性開展布置協調工作，而機翼在地面和在空中巡航狀態下的機翼變形較大，這種變形對內部系統布置安裝間隙的影響，是需要借助于數字樣機的仿真集成來研究和考慮的。

4 結論

目前，數字樣機建模與仿真技術有了飛速發展，隨著建模技術與仿真手段的不斷提升，數字樣機在飛機產品全生命周期中應用的范圍也越來越廣，有效縮短了大飛機的設計制造進程。同時對于數字樣機仿真技術的集成、虛擬環境的構建等方面還需繼續開展研究并與飛機研制相互促進，進一步提升數字樣機的仿真精度。