虛擬制造技術(shù)在飛行器設(shè)計中的運用

盧子杰

（杭州電子科技大學 浙江 杭州 310018）

0 引言

飛行器設(shè)計過程較為復雜，涉及外形設(shè)計、零部件設(shè)計、總體設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、試制試飛等環(huán)節(jié)，任何一個環(huán)節(jié)出錯都可能導致設(shè)計的失敗。在飛行器設(shè)計過程中必須對每一個環(huán)節(jié)實時檢驗、對每一個零部件核對校準，而傳統(tǒng)的飛行器制造技術(shù)較為復雜，需要耗費大量的人力、物力和時間，往往在樣機制作前就耗費了大量的人力物力，實際制作出樣機在進行試飛時存在結(jié)構(gòu)載荷、動力性能等較多不確定性因素，不僅容易導致試飛失敗、增長研制周期，且設(shè)計成本較高、容易造成巨大損失。因此，必須使用現(xiàn)代制造技術(shù)來降低飛行器設(shè)計成本、提高飛行器設(shè)計效率。虛擬制造技術(shù)涉及多個學科領(lǐng)域，是一種基于計算機仿真、建模和分析技術(shù)的數(shù)字化制造技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域較廣、應(yīng)用價值較高[1]。虛擬制造技術(shù)在飛行器設(shè)計中的運用能夠?qū)︼w行器設(shè)計中的不確定因素進行有效評估和分析，本文基于此對虛擬制造技術(shù)在飛行器設(shè)計中的具體運用進行了討論。

1 虛擬制造技術(shù)功能及其在飛行器設(shè)計中的應(yīng)用價值

1.1 虛擬制造的功能

虛擬制造技術(shù)群通常分為三大集群：仿真技術(shù)、控制技術(shù)和建模技術(shù)，其中仿真技術(shù)群是基于虛擬技術(shù)模仿、生產(chǎn)過程的性能；建模技術(shù)組一般分為企業(yè)、車間和產(chǎn)品3級，主要用于成本審核、市場風險估計、行業(yè)模型構(gòu)建等；作為一種仿真建模技術(shù)，虛擬制造技術(shù)的主要功能是仿真和建模。通過模擬生產(chǎn)過程，預(yù)測產(chǎn)品工藝、風險收益、市場、設(shè)備、調(diào)度等，可以有效評估產(chǎn)品加工過程，評估風險和收益[2]，從而改進產(chǎn)品加工方式，提高生產(chǎn)效率。此外，這一主要功能還可以幫助生產(chǎn)人員對產(chǎn)品的各個方面進行更詳細、更全面的了解，比如工藝、性能、可制造性等，有助于優(yōu)化飛機制造方案。虛擬制造技術(shù)主要功能的實現(xiàn)主要依賴于兩個關(guān)鍵技術(shù)，即虛擬現(xiàn)實技術(shù)和嵌入式仿真技術(shù)。這兩種技術(shù)主要負責仿真和模擬，共同實現(xiàn)虛擬制造技術(shù)的正常功能。

虛擬制造技術(shù)和實際的生產(chǎn)制造一樣，有著完整的制造規(guī)程。但是虛擬制造技術(shù)是在計算機內(nèi)進行的而且虛擬制造技術(shù)中的建?？梢詫嶋H制造有著預(yù)測功能，在實際制造之前預(yù)測生產(chǎn)過程中存在的部分問題。虛擬制造可以提供一個云辦公的環(huán)境。不同專業(yè)、不同領(lǐng)域甚至不同地域的工作人員在同一個模型中共同工作，極大地提高了工作的效率，整個產(chǎn)品開發(fā)到生產(chǎn)的速度和質(zhì)量得以提升。這種技術(shù)可以降低研發(fā)成本，利用虛擬制造技術(shù)可以在計算機內(nèi)進行產(chǎn)品的研發(fā)制造，沒有實際的消耗和浪費。首先，虛擬制造技術(shù)是通過計算機的運行，建立正確的模型，在虛擬環(huán)境下對產(chǎn)品進行設(shè)計制造、加工操作，若出現(xiàn)問題，只需要通過簡單的編碼修改就可解決，這種生產(chǎn)特性很契合飛行器的加工制造，因為航空航天類期間造價高昂，一旦出現(xiàn)報廢將是重大經(jīng)濟損失，出現(xiàn)問題還要反復修理調(diào)試，因此虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用極大地節(jié)省了工程造價。其次，已開發(fā)的產(chǎn)品模型只需要存儲在計算機里，既節(jié)省了大量的倉庫儲存費用，也方便客戶或市場產(chǎn)生變化時產(chǎn)品更改，并快速投入實際的生產(chǎn)。

1.2 虛擬制造技術(shù)在飛行器設(shè)計中的應(yīng)用價值

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，虛擬制造技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛，已有的虛擬制造技術(shù)應(yīng)用案例驗證了該技術(shù)的可靠性和高效性。利用虛擬制造技術(shù)對飛行器設(shè)計和制造過程進行建模，通過三維模型和動畫實現(xiàn)飛行器設(shè)計、零部件觀察、結(jié)構(gòu)分析、性能評估、試飛檢驗等環(huán)節(jié)，能夠在不消耗現(xiàn)實資源的前提下完成飛行器的設(shè)計流程，對飛行器性能結(jié)構(gòu)合理性以及整機可制造性開展合理評估，對飛機制造中可能出現(xiàn)的問題進行預(yù)測[3]。虛擬制造技術(shù)可以提高飛行器設(shè)計的可改性以及性能評價的合理性，使得制造企業(yè)在飛行器投入制造前可以較為全面地排除飛行器設(shè)計存在的安全隱患，做好預(yù)案、降低制造風險；切實降低飛行器設(shè)計的成本投入和資源消耗，促進資源的整合優(yōu)化，縮短研發(fā)周期。飛行器數(shù)字化設(shè)計技術(shù)和水平充分體現(xiàn)了一個國家航空航天制造業(yè)核心競爭力的高低，虛擬制造技術(shù)在飛行器設(shè)計中的運用能夠有效促進我國航空航天事業(yè)的高速、高質(zhì)量發(fā)展。

2 虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

美國、德國、日本等工業(yè)發(fā)達國家在20世紀就對虛擬制造技術(shù)開展了大量的研究和應(yīng)用，建立起了初步的虛擬制造技術(shù)體系。在這一領(lǐng)域的研究和應(yīng)用中，美國處于世界前沿，其應(yīng)用實例較多。比如，福特和克萊斯勒汽車公司在進入21世紀后就已經(jīng)在新型汽車開發(fā)中應(yīng)用了虛擬制造技術(shù)，使得汽車開發(fā)周期由原來的3年縮短到了2年。波音777是較為典型的虛擬制造技術(shù)應(yīng)用實例，其設(shè)計到試飛都是在計算機上模擬完成的，零部件也通過三維模型進行展示，其開發(fā)周期從過去的8年縮短到5年，產(chǎn)品質(zhì)量也得到了質(zhì)的提升。而歐美的波音、空客等先進航空企業(yè)在飛機制造過程中已經(jīng)廣泛應(yīng)用VR技術(shù)，利用VR技術(shù)對波音747進行虛擬設(shè)計獲得成功已經(jīng)成為虛擬制造的經(jīng)典案例。波音747上的300多萬個零件和飛機的整體設(shè)計均是在VR環(huán)境系統(tǒng)上進行的，該系統(tǒng)由數(shù)百臺工作站組成，設(shè)計人員利用頭盔顯示器，在虛擬的“飛機”中穿行并審視各項設(shè)計。

我國虛擬制造技術(shù)的研究正處于起步階段，清華大學、北京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學等科研教學單位也已經(jīng)開展了這一領(lǐng)域的研究工作，航天企業(yè)也致力于研發(fā)飛行器的設(shè)計與仿真軟件，目前已研發(fā)出多款可用于飛機、無人機等多種飛行器設(shè)計，能夠完成對飛行器的總體設(shè)計、模擬分析的數(shù)字軟件。但是我國的研發(fā)重點依然在于二維數(shù)字軟件的開發(fā)和數(shù)據(jù)的模擬；進入飛行器三維建模階段，進行飛行器的三維虛擬設(shè)計和生產(chǎn)加工過程模擬是我國虛擬制造技術(shù)研究工作正在努力的方向。目前，我國對VR技術(shù)的應(yīng)用主要集中在虛擬設(shè)計、零件加工過程仿真和裝配仿真等方面。

3 虛擬制造技術(shù)在飛行器設(shè)計中的運用

3.1 設(shè)計信息和生產(chǎn)過程的三維可視化

傳統(tǒng)的飛行器設(shè)計需要通過塑料模型評估設(shè)計外形，較為耗費時間和人力物力。通過虛擬制造技術(shù)構(gòu)建飛行器三維模型完成其虛擬設(shè)計，能夠有效提高飛行器設(shè)計的精度和設(shè)計的效率，讓設(shè)計參數(shù)和信息更加科學可靠。設(shè)計信息三維可視化也能更加直觀地展現(xiàn)飛行器設(shè)計外形與布局，可以將局部放大觀察，使得工程師能夠在設(shè)計的過程中及時發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)計中暴露出來的問題與缺陷，對飛行器的外形參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整，有效減少后期樣機校準過程中的人力和物力投入，提高飛行器的外形質(zhì)量[4]。

飛行器是多元部件精準組件而成的高密度科學產(chǎn)品，對于零部件的精度要求較高，材料的選擇也至關(guān)重要。虛擬制造技術(shù)中的嵌入式仿真技術(shù)能夠以動態(tài)的形式詳細展示飛行器的設(shè)計參數(shù)以及零部件的加工、組裝流程，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)建模能夠及時發(fā)現(xiàn)飛行器生產(chǎn)過程中存在的問題以及零部件生產(chǎn)中可能存在的偏差，根據(jù)可能出現(xiàn)的問題優(yōu)化飛行器設(shè)計方案和容差范圍，調(diào)整零部件生產(chǎn)和組裝順序，對飛行器的生產(chǎn)工藝和流程進一步優(yōu)化，從而促進資源的合理配置，提高飛行器生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。

3.2 實現(xiàn)零部件裝配與調(diào)節(jié)

飛行器的零部件繁多，組裝飛行器需要經(jīng)歷一道又一道繁瑣而復雜的工序，一旦在設(shè)計、生產(chǎn)和組裝過程中出現(xiàn)任何細微偏差，都有可能導致零部件的報廢，甚至可能導致飛行器出現(xiàn)動力性能問題，造成資源的浪費與經(jīng)濟的損失。虛擬裝配技術(shù)的出現(xiàn)使得傳統(tǒng)復雜裝配流程中的弊端得到了改善和解決，美國的Sandia實驗室開發(fā)了一套針對于飛行器的工藝規(guī)劃系統(tǒng)，極大地方便和改善了整個工藝流程，包括德國的Jung開發(fā)的虛擬裝配系統(tǒng)CODY，這類虛擬仿真通常能實現(xiàn)順序控制、運動仿真和裝配碰撞檢查等。這類技術(shù)手段的應(yīng)用帶來的最大意義是通過可視化的手段干涉了碰撞和配合公差等一系列工藝問題，從而縮短裝配制造周期，降低了制造成本。

通過虛擬制造技術(shù)能夠立體展現(xiàn)零部件在飛行器中的組配情況、對零部件進行及時校準，精準把控零部件的規(guī)格，提高零部件的精度和零部件之間的適配度，加固飛行器結(jié)構(gòu)。同時，虛擬制造技術(shù)能夠通過三維模型更加直觀地展現(xiàn)飛行器的內(nèi)部布局和結(jié)構(gòu)，通過對模型各個部位的監(jiān)測能夠有效檢驗飛行器結(jié)構(gòu)的合理性，并對不合理之處進行及時修改，使得零部件之間更加契合，內(nèi)部布局更為高效、內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為合理，降低飛行器的故障發(fā)生率，提高飛行器內(nèi)部質(zhì)量[5]。

例如以往飛機設(shè)計的外形和布局都采用塑料模型，不僅費時費力，而且難以評估和修改。目前，利用虛擬制造技術(shù)對飛機產(chǎn)品的設(shè)計布局進行優(yōu)化調(diào)整，以提高其合理性，克服傳統(tǒng)缺陷。通過飛機外形的仿真建模，生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)報表，并以三維動態(tài)的形式呈現(xiàn)其布局，相應(yīng)地簡化了布局過程。

3.3 模擬試飛效果

在飛行器投入生產(chǎn)和使用前，試飛是必不可少的環(huán)節(jié)，并且根據(jù)試飛結(jié)果需要對產(chǎn)品設(shè)計進一步調(diào)整和優(yōu)化。傳統(tǒng)制造技術(shù)中，飛行器樣機的制造需要耗費大量的人力物力，一次試飛失敗就可能造成巨大損失。因此VR增強現(xiàn)實技術(shù)也開始進入飛機的智能制造流程。應(yīng)用增強現(xiàn)實AR能夠?qū)⑻摂M環(huán)境中的模型信息疊加到現(xiàn)實場景中。在實際的工程中增強現(xiàn)實已經(jīng)能夠模擬出長達幾千米的實際管路信息，使操作人員能夠精準控制長達數(shù)百米的復雜電纜，在未來的飛行器仿真應(yīng)用中，想要實現(xiàn)逼真的現(xiàn)實飛行環(huán)境，需要分布式地大量采集現(xiàn)實數(shù)據(jù)進行建模和仿真，這尚需進一步研究。

因此，為了盡可能地降低試飛成本，通過虛擬制造技術(shù)構(gòu)建飛行器試飛環(huán)境、模擬試飛過程是一種有效手段。利用虛擬制造技術(shù)將飛行器模型放置在虛擬環(huán)境中，模擬不同環(huán)境下飛行器模型的試飛效果，模擬飛行器模型在遭遇外界干擾時的飛行狀態(tài)，能夠?qū)︼w行器開展全方位評估，明確飛行器的優(yōu)劣。此外，利用虛擬制造技術(shù)可以更加近距離地觀察飛行器模型的試飛狀態(tài)，對其動力性能、剛度硬度、結(jié)構(gòu)載荷開展更加準確的評估，并根據(jù)評測結(jié)果進行調(diào)整優(yōu)化，提高飛行器的質(zhì)量，確保在實際生產(chǎn)中能夠一次試飛成功，縮短試飛調(diào)整時間、減少成本投入，提高飛行器設(shè)計的成功率和研制效率，延長飛行器服役時間。

3.4 人機協(xié)同作業(yè)

任何模型都有局限性，虛擬制造技術(shù)中也存在很多不確定因素，例如算法的適用性、算法本身的誤差，計算或仿真方案的合理性以及一些輸入性的錯誤都可能導致模擬結(jié)果出現(xiàn)偏差。通過對于數(shù)字化人機交互系統(tǒng)的研究，可以有效地提升人與機器之間的交流和互動。通過數(shù)字化的語言對任務(wù)進行描述，從而優(yōu)化設(shè)計師對于飛行器的設(shè)備感受。在設(shè)備使用過程中，用戶對于設(shè)備進行操控，包括機械設(shè)備和電子設(shè)備都可以作為人機交互系統(tǒng)中的使用設(shè)備。通過數(shù)字化交互系統(tǒng)可以有效地提升設(shè)計者對于相關(guān)參數(shù)的使用精準性，同時簡化使用流程，減少在使用過程中的操作難度。通過虛擬制造人機交互這樣的一種方式，可以由用戶對汽車進行控制和有效的管理。在這一過程中可以通過計算機來完成大量的工作，人機交互系統(tǒng)通過外部的輸入設(shè)備與內(nèi)部軟件進行匹配，利用外部的數(shù)據(jù)輸入和內(nèi)部軟件進行計算，完成飛行器測控的相關(guān)功能。通過顯示器、控制器等設(shè)備，可以有效地完成人機交互的各種功能操作。在控制相關(guān)飛行設(shè)備運行仿真時，需要通過指令將操作轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化的信號達到設(shè)計者進入的環(huán)境，從而由汽車相關(guān)軟件進行分析，對輸入的指令進行判斷，完成決策并執(zhí)行。提升了用戶的操控體驗，促進人機交互系統(tǒng)的發(fā)展。

我們不能絕對相信虛擬制造技術(shù)的模擬結(jié)果，在飛行器設(shè)計中，要進一步加強人機協(xié)同作業(yè)，實時監(jiān)測飛行器動態(tài)模型，記錄虛擬制造技術(shù)中可能和設(shè)計參數(shù)或者常規(guī)生產(chǎn)環(huán)境不相符的地方，根據(jù)經(jīng)驗、理論核實結(jié)果，對確實存在偏差的地方予以修正和完善。在人機協(xié)同作業(yè)中進一步完善虛擬制造技術(shù)體系，提高模擬結(jié)果的可靠性，擴大虛擬制造技術(shù)的可應(yīng)用范圍[6]。

3.5 飛行器工作環(huán)境的模擬與仿真辦法

在飛機設(shè)計的初始階段需要采用“設(shè)計—分析—改進”的迭代方法對飛機的氣動外形設(shè)計方案進行優(yōu)化，最終達到提高飛機設(shè)計質(zhì)量以及經(jīng)濟效益等目的。常用的有飛機CFD模型、沈陽航空航天大學自行研發(fā)的SAUFS飛行仿真系統(tǒng)場景。首先利用CATIA軟件進行飛行器外形設(shè)計，并利用Fluent軟件計算飛行器氣動力數(shù)據(jù)，然后將氣動力數(shù)據(jù)及相關(guān)原始數(shù)據(jù)輸入到SAUFS系統(tǒng)進行可視化飛行仿真試驗是國內(nèi)飛行器設(shè)計的一般流程，獲取并分析飛行性能數(shù)據(jù)。若對仿真結(jié)果不滿意可以調(diào)整飛機外形或載荷，重復上述的CFD計算和仿真過程。通過上述過程實現(xiàn)了在虛擬環(huán)境下對飛行器初始設(shè)計方案進行評估和優(yōu)化。

虛擬仿真功能的建模是核心要素，建模過程可以分為幾何建模、線框建模、表面建模和實體建模等幾種方法。其中實體建模最為復雜，他建立在表面模型的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過增加實體在這些面的信息構(gòu)造而成的，在對模型面進行定義時，只要提供線框連接順序增加部分數(shù)據(jù)量。實體建模主要通過CSG（體素構(gòu)造法）和B-rep（邊界表示法）這兩種方法表達。為了讓幾何建模有著統(tǒng)一的表達，研發(fā)人員還開發(fā)出了NURBS（非均勻有理B樣條）算法。在幾何建模中，這種計算方法發(fā)揮著極其重要的作用。

4 結(jié)語

虛擬制造技術(shù)是現(xiàn)階段開展飛行器設(shè)計的一項重要技術(shù)，在飛行器設(shè)計時運用虛擬制造技術(shù)能夠有效降低飛行器的研制成本、縮短研制周期、提高研制質(zhì)量。但是其模型和模擬過程依然存在不確定因素，需要通過人為干預(yù)評估。因此，在飛行器設(shè)計過程中，我們也不能過于依靠虛擬制造技術(shù)的評估結(jié)果，依然要結(jié)合工程師的經(jīng)驗和樣機試飛結(jié)果去進一步檢驗虛擬制造技術(shù)的模擬結(jié)果，從而最大程度降低飛行器設(shè)計投入制作和使用后的風險，提高飛行器研發(fā)質(zhì)量。同時，我們也應(yīng)當積極尋求創(chuàng)新，進一步完善虛擬制造技術(shù)在飛行器設(shè)計中的應(yīng)用體系，與其他現(xiàn)代制造技術(shù)結(jié)合起來，以期實現(xiàn)飛行器設(shè)計研制周期和成本的最小化，設(shè)計質(zhì)量和研制效率的最優(yōu)化。