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飛機全數字樣機設計并行工作平臺的建設與應用

來源:互聯網 責編:ldzldz 作者:寧振波 時間:2007-09-14

1、前言
在以信息技術革命為主要特征的知識經濟時代,航空各科研院所、企業抓緊時機流程再造,增強自身的核心競爭能力已是當務之急。正如十六大報告中提出的“堅持以信息化帶動工業化,以工業化促進信息化,走出一條新型工業化路子。” 。在這種形勢下,隸屬于中國航空工業第一集團公司的西安飛機設計研究所,與時俱進,抓住難得的機遇,首次在中國設計了飛機全機規模數字樣機。飛機全機數字樣機的問世,標志著西安飛機設計研究所飛機設計水平已進入數字化設計階段。實現了飛機設計手段與國際飛機設計手段的接軌。數字化設計飛機的成功制造與試飛;為我國航空行業由傳統的飛機研制模式向飛機數字化設計制造的現代化飛機研制模式的轉變奠定了堅實的基礎。

2、飛機數字化研制模式分析
自我國的航空航天工業建立開始,由于受傳統的設計制造方法和工具的限制,如手工圖紙設計、手工操作機械加工方法,統稱為模線樣板法。其過程是經過圖紙→模線→樣板→樣件→工裝模具夾具→產品等眾多的復雜環節。它的本質是以模擬量傳遞的產品研制方法,飛機工廠的一切活動圍繞著它進行,是一種不得不采用的少、慢、差、費的串行工作方法,嚴重影響著企業的技術進步。

上世紀飛速發展的計算機及數控技術,首先就應用到了航空航天工業;可以說,是對傳統的產品研制過程的革命性變革。由CAD→CAE→NC→CAT和PDM等先進技術代替了傳統的手工方法,其本質是數字量傳遞的產品研制方法,所以稱它為數字化設計制造技術,它省去了大量的模線、樣板、樣件和工裝等模擬量傳遞工具,是一種優質、高效、低成本的先進技術,它從整體上徹底地改變了傳統的工程研制過程及其技術體系。

數字化設計制造技術是指利用計算機軟、硬件及其網絡環境,實現產品全過程設計/制造/管理的一種技術;它不同于一般的單項先進技術,它是在網絡和計算機輔助下通過產品數據模型,全面模擬產品的設計、分析、裝配、制造等過程。數字化設計制造技術不僅貫穿企業生產的全過程,而且涉及企業生產線上的設備布置、各條生產線的匹配、物流規劃、物料配送、生產計劃、成本核算等多個方面。數字化設計制造技術的應用可以大大提高產品質量、提高勞動生產率、提高企業產品開發能力、縮短產品研制周期、降低開發成本、實現最佳設計目標和企業間的協作,使企業能在最短的時間內組織大范圍內的資源開發出新產品,大大提高企業的競爭能力。因此,這一先進技術對企業作用之大、影響之深遠沒有哪一項技術能與它相比。

數字化設計制造技術集成了現代設計制造過程中的多項先進技術,包括三維建模、裝配分析、優化設計、工程分析、系統工程、產品數據管理、虛擬設計與制造、多媒體與網絡通訊等,是一項多學科的綜合技術。涉及的主要內容有:
— CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM技術
—  異地協同設計平臺
—  基于知識的設計資源庫
—  虛擬設計與虛擬制造
—  概念設計與工業設計
—  綠色設計
—  并行工程

由以上對數字化設計制造技術的綜述可知,其核心是協同設計平臺支持下的三維CAD技術。為確保在型號研制中全面采用三維CAD飛機設計技術。必須制定一整套較完整、先進、實用性強的協同設計平臺建設技術實施方案。飛機數字化協同設計平臺建設考慮的重點問題如下:
—  項目國內外合作伙伴公司之間的應用軟件通用性
—   項目管理軟件系統的兼容性
—  項目計算機硬、軟件、網絡建設和系統的匹配性
—  項目國內航空工業各單位計算機硬、軟件的相對一致性
—  項目供應商軟、硬件、系統方案的先進性、成熟性、可靠性和發展性
—   項目計算機硬、軟件配置的統一規劃、分步實施的原則
—   系統應用的歷史狀況和數據資源保護

這樣的技術思路決定了數字化協同設計平臺要以應用為中心,既以CAD系統為第一選型目標,CAD系統確定之后,再根據CAD軟件的要求,配置相應的硬件、系統軟件、網絡系統及其它應用軟件;構成一套較完整的飛機數字化設計系統。因此,CAD系統的正確選擇,是整個項目成敗的關鍵所在。鑒于當時國內尚沒有成熟的三維CAD系統可選,并考慮現有資源的利用和CAD軟件的發展趨勢及服務保障,以及實施PDM的情況,我們結合實際型號需要,最終選擇了國際上尚沒有應用先例的以CATIA V5為核心的CAD系統。

通過艱苦攻關,我所在中國飛機研制中,率先采用并行工程和無紙設計技術,實現了應用國際先進CAD軟件CATIA V5進行三維外形建模、三維結構設計、數字化結構件和主要飛機系統件的預裝配,最終建成了五萬多個零組件、四十三萬個標準件、可全面應用于生產的全機數字樣機。

經過制造、總裝、試飛的全面檢驗,已經證明采用數字樣機縮短了60%的設計周期,并且提高了設計質量,減少了40%的設計反復,大大縮短了試制周期,提高了制造質量,減少了制造返工。


3、數字化設計/制造/管理平臺規劃建設
“九五”期間,我所參加了《飛機異地無紙設計》課題和《航空CIMS》重點工程,在零部件級數字化設計方面取得了一定的經驗和實效。借鑒國外先進經驗,形成了我們數字化設計/制造/管理平臺的框架如下:

圖1:西安飛機設計研究所數字化設計/制造/管理平臺的框架

—   初步建立基于中國航空工業第一集團公司專用網(金航網)和我所局域網及數據庫的基本技術支持系統,為最終建立航空現代集成制造系統奠定基礎。

—   以數字化設計制造技術為核心,重點突破三維數字化產品定義(DPD)、虛擬裝配、產品數據管理(PDM)、并行工程(CE)等四個方面的技術在航空工業飛機研制中的應用,并探討建立新型號飛機多廠所聯合研制系統相應的運行機制和管理制度。解決型號研制中信息集成和過程集成的關鍵,最終使我國飛機研制的水平和能力有一個較大的提高。

—   以國際標準為模板,建立科學的數字化技術應用體系。學習貫徹國標、國軍標和航標中有關計算機應用的規范、標準,進而結合飛機設計所的特點建立自己的規范體系。編寫、補充、完善所內有關計算機和CAD技術應用的規章制度和技術標準。

—   應用VPM(虛擬產品管理軟件)實施貫穿飛機設計周期的PDM產品數據管理,實現分布式、異地飛機產品的數字化構型控制,數字化產品定義的審批、發放和更改流程控制。

—   數字化技術培訓,采用自己培訓、國內委托培訓和送國外培訓等多種方式,全面多層次培訓各類CAD、CAE、PDM等應用技術人員。組織飛機設計專業人員學習軟件工程理論。 

—   全面推廣應用數字化管理技術,提升辦公自動化應用水平,最終將型號管理、數據管理、OA、資源共享、應用服務等納入同一個平臺體系。

     我國從“六五”“七五”開始到現在,已經走過了數字化技術研究、數字化技術中關鍵應用軟件開發和數字化技術推廣應用幾個階段,我所在軍、民用飛機研制中技術的應用也遵從了這個規律。在飛豹飛機的研制中,我所主要是通過課題研究推動數字化技術應用,并注重于技術的先進性和實用性,注重于采用國內外先進技術為型號研制服務。

    

4.數字化技術的最新發展與對策

現代集成制造系統(CIMS)將是新時代航空工業技術的發展方向,新一代航空器都是采用一體化、信息化、綜合化和智能化的設計。美國波音777飛機是民用飛機研制首次使用并行工程和無紙設計技術的典范。由于采用了數字化設計制造技術,大大縮短了研制周期,大幅度降低生產成本,其產品質量也是傳統方式難以達到的,被認為是“最先進、最舒適和維護使用性能最好”的飛機。

美國聯合攻擊戰斗機(JSF)是20世紀最后一個重大的軍用飛機研制和采購項目。在波音公司和洛克希德·馬丁公司的競爭中,洛克希德·馬丁公司最終勝出并取得了這筆價值1890億美元的巨額合同。

JSF不僅是多年來第一種滿足多軍種使用需要(既通用性)的戰斗機,還是第一種在一條生產線上生產的具有多種配置(既多變性)的戰斗機。JSF包括三種類型的飛機,一種是空軍常規起落型(CTOL),另一鐘是美國海軍的艦載型(CV),最后是美國海軍陸戰隊和英國皇家海軍用的短距起飛垂直著陸型(STOVL)。

為使洛克西德-馬丁公司為主的全球50家企業可以協同設計、制造、測試、部署以及跟蹤JSF整個項目的開發,從而按時完成JSF合同。洛克西德-馬丁公司沒有采用SAP的ERP系統,重新改組公司的流程,而采用了EDS公司的全生命周期管理(PLM)軟件為集成平臺,構建了全球性的虛擬企業。

圖2:JSF信息技術體系結構



如上圖所示。由于JSF產品的復雜性,只有采用數字化生產方式才能作到。它是以數字化為基礎,以項目為龍頭,構建全球性虛擬企業,組成最優能力中心,以此來增強項目和企業的靈活性和敏捷性。

上圖中,JSF的數字化技術包括以下幾個方面:基于Web的數據交換和共享,它的數字化體系由四個平臺組成,既集成平臺,網絡平臺,業務平臺和商務平臺。
  集成平臺采用TEAMCENTER產品全生命周期管理軟件(PLM);
  網絡平臺采用VPN、LAN、WAN 、Internet和各種應用系統組成的應用平臺。
  業務平臺由各種應用軟件構成,如:文檔管理,虛擬現實,材料管理,零件管理,CAD設計軟件及相關接口,數字化工廠的設計仿真軟件包,企業資源計劃和工廠管理軟件。
  商務平臺包括為用戶提供訪問其他系統數據的各類接口。

另外,整個JSF項目本身的軟件數量也是前所未有的,估計有一千五百萬行代碼將對飛機提供支持,其中機載軟件約六百萬行,九百萬行用于地面部分。要啟動這個軟件體系需要準備好35個軟件進程和大約400個軟件工具。從這個意義上講,JSF飛機是一個“會飛的計算機”。

從JSF飛機的數字化發展來看,數字化從根本上改變了現行的設計制造管理的方式、方法和手段,必將推動制造業的技術革命。它的思路對中國航空工業的數字化有一定程度的參考價值。

參考文獻:
1.  范玉青,現代飛機制造技術,北京航空航天大學出版社,2001年6月
2.  EDS公司演講稿, JSF項目中的PLM技術的應用,2002年6月
3.寧振波,為什么在我所飛機型號項目中選擇CATIA?   IBM2000年CATIA用戶大會論文集,2000年7月
3.  寧振波,數字樣機在飛機設計中的應用,航空制造技術,2002年10月
(注明:本文發表在《航空制造技術》2003年3月航空CIMS專輯)

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