謝 劍，李正強，黃 帥，喬文峰

（1.上海飛機設計研究院飛控部，上海 200436；2.上海飛機設計研究院民用飛機模擬飛行國家重點實驗室，上海 200436）

大飛機工程是一個國家具有戰(zhàn)略性的高技術產業(yè)鏈，所涉及專業(yè)之廣，運用技術之新遠遠超過其他行業(yè)，是現(xiàn)代化科技技術高度集成化的系統(tǒng)性工程，也是衡量一個國家科技工業(yè)水平乃至綜合國力的標志之一。我國已經多次從戰(zhàn)略級高度看待并定義了大飛機產業(yè)，目前，國產支干線飛機均取得里程碑進程，雖然近年來我國大飛機產業(yè)迅猛發(fā)展，但是大飛機事業(yè)仍然任重而道遠，多方位技術的攻關仍在進行中。

數(shù)字化技術是以計算機軟硬件、周邊設備、協(xié)議和網絡為基礎的信息離散化表述、定量、感知、傳遞、存儲、處理、控制、聯(lián)網的集成技術[1]。大飛機的數(shù)字化設計與制造利用現(xiàn)代計算機技術和信息技術，建立一系列數(shù)字化描述空間并在其中進行設計與制造。其實質是建立數(shù)字化模型，完成設計與制造過程的數(shù)字化[2-4]。本文概括介紹大飛機數(shù)字化技術的特征，以大飛機的數(shù)字化技術需求為背景，對目前數(shù)字化技術在大飛機設計與制造中的應用進行分析。

大飛機數(shù)字化技術特征

1 研制方法的本質改變

數(shù)字化設計技術的引入使得飛機研制方法從早先的基于物理實體樣機的方式轉變?yōu)榛谌S數(shù)字樣機的方式。早期的飛機傳統(tǒng)研究過程大致可分為4階段：概念設計、初步設計、詳細設計和生產制造。4個階段中，飛機主機商均需要通過制作真實縮比例物理樣機來驗證飛機設計的準確性，研制過程是串行的，前面一階段未完成驗證，無法繼續(xù)開展下一階段的設計改進工作[5]。

而在現(xiàn)代大飛機研制過程中，傳統(tǒng)的物理樣機和模線已經被數(shù)字化的三維數(shù)字樣機所替代，跨部門和跨專業(yè)協(xié)調設計可以方便實現(xiàn)，研制過程可以并向進行。目前，國產大飛機采用自主知識產權的全三維數(shù)字樣機設計，飛機所有結構部件和系統(tǒng)設備均通過構型項掛接三維數(shù)字樣機平臺，通過對整個平臺的數(shù)字化管理與檢查，相關專業(yè)可以很清晰地得到目前設計的各項數(shù)據，如設備結構距離、干涉情況、過于靠近情況，并對檢查結果進行評估以及時改進設計，極大縮短了協(xié)調設計周期；并且全三維數(shù)字樣機貫穿研制過程多個階段，從概念設計至生產發(fā)圖階段持續(xù)有效并進行改進。

2 貫穿整個飛機研制過程

數(shù)字化的技術貫穿了整個大飛機研制過程。從橫向看，多學科多專業(yè)多合作單位借助數(shù)字化平臺充分整合起來，所有設計制造數(shù)據通過數(shù)字化設計工具高效地流轉傳遞；從縱向看，數(shù)字化技術貫穿了整個大飛機的設計研發(fā)制造流程，各個階段都借助于數(shù)字化工具極大地提高了研制效率，甚至說，數(shù)字化技術在大飛機研制的某個階段產生革命性的顛覆影響。詳細論述見本文后續(xù)關于大飛機設計制造技術的各方面應用。

大飛機具有自主知識產權的全周期數(shù)字化技術與平臺、數(shù)字化定義與工具的使用貫穿整個飛機的研制階段，從方案論證階段至詳細設計階段，再到工程發(fā)展、試驗取證階段，直至大飛機的交付，處處展示了數(shù)字化技術的魅力和效率，數(shù)字化技術貫穿了整個產品研制過程。

3 向全三維技術發(fā)展

如今的主流設計數(shù)模建模較為廣泛地使用三維建模手段，大飛機產業(yè)中國內外使用較為廣泛的三維數(shù)模建模軟件有CATIA、Pro/E、UG等。傳統(tǒng)三維數(shù)模建模軟件可以對零部件進行精確的幾何建模，使用各種算法有效生成飛機舵面、翼身整流罩等復雜曲面的外形，但是所構成的三維數(shù)模無法集成各類工藝信息，因此設計人員需要使用投射模塊將三維數(shù)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直接表述。而且，傳統(tǒng)的三維建模中，零件關鍵部位的放大剖面圖也無法表示。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，更需轉化為二維圖紙以加入更多的非幾何信息和放大剖面圖。這種分離的二次圖紙管理，往往會產生二次錯誤風險，可能難以保證數(shù)據的一致性[5]。

而全三維技術則是在傳統(tǒng)三維建模軟件中進行二次開發(fā)，進一步加入多項功能，讓設計員可以直接在三維數(shù)模中直接加入各種非幾何信息和直接設計意圖，如公差和粗糙度的要求、設計工藝的改進、潤滑油信息、倒角如何處理等。無論是飛機設計人員，或是負責生產裝配的工廠人員，均使用同一份全三維技術模型傳遞所有工程信息，極大地縮短了飛機研制生產周期，節(jié)省了飛機研制生產成本。

從我國研制的兩款噴氣大飛機可以清晰地看到上述發(fā)展轉變的腳步，某商用支線飛機在初步設計階段和詳細設計階段初期所建立的飛機數(shù)據模型均為三維實體模型，而到詳細設計后期與工程發(fā)圖階段設計人員均將三維實體模型轉化為二維圖紙模型并將各類工藝制造信息標準在二維圖紙上傳遞至生產裝配工廠，這增加了模型構型管理項，增加了轉化環(huán)節(jié)，并造成設計與工廠溝通過程中部分信息的脫節(jié)遺漏。而后大飛機從概念設計初始便定義了采用全三維數(shù)字技術，生產數(shù)據的發(fā)放均通過三維模型執(zhí)行。設計人員和生產人員可以從全三維模型中得到所有的工程信息，極大地提高了各參研單位、部門之間協(xié)調的效率，降低了飛機研制費用，縮短了飛機研制周期。

數(shù)字化設計制造技術應用

1 方案設計與決策

大飛機方案設計與決策的數(shù)字化技術通過使用計算機輔助飛機總體設計軟件工具并結合大飛機自身運營特點，圍繞安全性、經濟性、舒適性和環(huán)保性的要求，開發(fā)出有特色的先進軟件系統(tǒng)，為方案設計與決策階段的工作提供支持；數(shù)據化軟件系統(tǒng)集成分析市場中心、相關咨詢機構和民航局各類行業(yè)運營和市場分析報告，提出具體飛機的性能要求和主要技術需求，在此基礎上形成一系列的基礎方案，然后通過對方案的各類調研和綜合分析，持續(xù)完善方案；通過軟件綜合評估對比各類方案信息，支持總設計師系統(tǒng)選定最佳的初步總體方案，并確定“型號設計要求”。

2 綜合設計與工程發(fā)展

綜合設計與工程發(fā)展中的數(shù)字化技術主要應用于大飛機總體方案論證階段的初步設計和研制階段的詳細設計，其目的是通過使用一系列數(shù)字化工具與方法提升上述兩個階段的綜合設計能力?？陀^要求是基于一個基本總體方案，綜合運用各類數(shù)字化定義工具與方法（圖1），協(xié)助飛機總體設計與布置人員高效進行飛機的總體布置與設計，各個系統(tǒng)專業(yè)設計人員進行結構部件和系統(tǒng)部件的三維數(shù)字化模型布置，反復協(xié)調完成全機三維數(shù)字化電子樣機，在三維數(shù)模中集成各類工藝信息和設計意圖，發(fā)放工廠。在初步設計和詳細設計中，主干線為全機數(shù)字化定義的不斷推進；次支線為全機各專業(yè)部門通過協(xié)同對不同的部件和分系統(tǒng)開展設計，形成了一系列數(shù)字化設計分系統(tǒng)，如總體氣動設計分系統(tǒng)、結構強度設計分系統(tǒng)、動力推進系統(tǒng)設計分系統(tǒng)、機械系統(tǒng)設計分系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)設計分系統(tǒng)等。各個分系統(tǒng)開發(fā)或者配置不同的數(shù)字化設計軟硬件，分系統(tǒng)之間通過核心處理系統(tǒng)相連，核心處理系統(tǒng)負責將各個分系統(tǒng)的設計實時地綜合到服務器的全機三維數(shù)模中，通過對核心處理系統(tǒng)的操作可以實時地調動全機的電子樣機[1]。

圖1 大飛機綜合設計與工程發(fā)展的數(shù)字化技術流程Fig.1 Digital technology procedure of general design and engineering development for large aircraft

3 性能分析與仿真

大飛機的氣動外形設計、結構強度設計、系統(tǒng)性能設計等都需要借助于功能強大的工程化、數(shù)值化性能分析和仿真軟件。飛機設計員通過初步的比較經濟的數(shù)字仿真結果來驗證需求是否被滿足以及相關設計是否可以被改進。如在初步設計和詳細設計階段，需要精確地分析全機的氣動特性、結構和各系統(tǒng)部件重量特性、飛機的操穩(wěn)飛行品質、結構強度驗算等，進入工程發(fā)展階段需要在系統(tǒng)試驗之前通過仿真來分析驗證系統(tǒng)部件的設計性能，對于大飛機而言，目前噪聲仿真分析也成為其仿真分析中的重要組成部分。

在大飛機性能分析與仿真過程中，計算流體力學、結構有限元分析等軟件已經是常用工具，但其消耗巨大的計算資源和時間，而且價格比較昂貴，因此可以創(chuàng)新性地應用它們，例如將它們集中在配置較高的計算機硬件上，并通過專業(yè)軟件進行管理和調度，形成集群化的優(yōu)勢。

4 試驗試飛

大飛機試驗從學科專業(yè)角度來分包括各類氣動試驗、強度試驗、結構試驗、系統(tǒng)試驗工程模擬器試驗、試飛試驗等，從適航驗證角度來分包含MOC4（鐵鳥） 試驗、MOC5 （機上地面）試驗、MOC6（試飛）試驗、MOC8（工程模擬器）試驗，還包括供應商的各類MOC9（部件鑒定）試驗。大飛機試驗的開展一方面是為了驗證方案和設計是否能夠滿足設計要求，另一方面是為了向局方表明飛機的設計可以滿足適航條款。上述如此繁多的試驗必然產生大量的數(shù)據，各試驗單位和提出專業(yè)一般有自成體系的一套數(shù)據采集處理工具，如果設計過程中引入中心試驗信息管理系統(tǒng)，對所有試驗數(shù)據綜合存儲、管理，可以極大增加試驗數(shù)據的處理利用效率。

如圖2所示，大飛機試驗中引入中心數(shù)據庫，集中地管理設計單位提出的試驗任務書、試驗部門和合作試驗供應商傳回的試驗數(shù)據、分析報告等相關信息。各相關專業(yè)通過試驗核心管理平臺可以高效調用各類數(shù)據，盡快處理分析試驗結果，優(yōu)化設計[1,6]。

5 營運與制造

虛擬現(xiàn)實營運和制造仿真技術利用數(shù)字化軟硬件，模擬大飛機營運中的典型參數(shù)如客艙參數(shù)、應急疏散參數(shù)、地面維護保障參數(shù)、總裝環(huán)境等（圖3），通過對飛機與人員、機場設施、制造車間等外部環(huán)境的沉浸式仿真，在設計早期就能以很低的代價驗證設計方案能否滿足營運過程和制造過程中的相關要求，提高大飛機的安全性、經濟性、舒適性和可靠性。

虛擬現(xiàn)實仿真提供了基于計算機三維數(shù)字電子樣機的高度仿真，并獲得了工程模擬器才可以達到的高度人機交互，它集成了設計方、維修方和客戶的交互平臺，可以在虛擬的環(huán)境下進行維護、訓練和驗證；而且，隨著計算機能力的提升，虛擬場景可以更加逼真地模擬制造和營運過程中出現(xiàn)的任何人員和環(huán)境，仿真結果對整個方案的評價更有說服力。

6 知識管理

大飛機的設計與制造是一個超級復雜的系統(tǒng)工程，研制過程中必須盡可能使各階段的工作規(guī)范化、標準化，以保證型號的成熟度并提高在局方以及公眾心中的認可度。知識管理中的數(shù)據化技術主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）有效收集、管理國內外已有的設計資料及數(shù)據（如各個機型的CMM、AMM、設計參數(shù)等）、以往設計過程中出現(xiàn)的問題（如專家評審中的問題，系統(tǒng)PDR/CDR中的問題）和解決方法，將解決歸零報告及時電子歸檔，以便后續(xù)參考使用。目前具有兩個型號的數(shù)據使用平臺，所有技術文件均通過平臺完成電子簽審發(fā)布和歸檔。

（2）建立大數(shù)據庫統(tǒng)一管理研制過程中的各類海量標準規(guī)范和手冊并用于指導設計，使飛機設計研制有據可依，并使飛機能夠更加緊跟國際先進標準的步伐，更好地滿足了各方面的要求。

（3）管理基礎性設計資源，例如發(fā)動機、機載設備、座椅、機上設施等。建立可擴展數(shù)據庫，不斷豐富完善其中數(shù)據，以方便需要時調用。

7 適航取證

適航取證是大飛機區(qū)別于其他飛機的主要特點，也是一大技術難點。適航取證中的數(shù)字化技術主要借助于數(shù)字化平臺，與知識管理相結合建立大適航取證數(shù)據庫，通過使用大平臺可以方便調用適航取證系統(tǒng)的條例庫，查詢某型號所用條例的細則、相關的咨詢通告等，并將歷次接收局方審查資料統(tǒng)一組織管理，相關問題描述作標簽提示，以便后續(xù)型號參考利用。

圖2 大飛機試驗綜合管理中心數(shù)據庫應用管理Fig.2 Database application management of general management center for large aircraft test

圖3 大飛機虛擬營運與制造仿真應用Fig.3 Virtual operating and manufacturing simulation application for large aircraft

8 項目管理

數(shù)字化技術除了給大飛機設計與制造提供研制過程中的技術層面支持外，還應提供項目管理的支持應用。大飛機研制過程中，數(shù)字化的項目管理系統(tǒng)對于建議高效化、流程化的集成管理意義十分重大。近年來工業(yè)制造中應用較為廣泛的企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)（ERP）能夠對企業(yè)的人力資源、財務成本、綜合保障、資產整合等企業(yè)職能全方位管理，極大提高了企業(yè)資源管理能力。大飛機的數(shù)字化管理系統(tǒng)可以基于上述成熟的ERP，如有必要進行二次開發(fā)，使得各個系統(tǒng)的功能更加緊密地服務于大飛機設計的各個環(huán)節(jié)。

大飛機數(shù)字化項目管理系統(tǒng)中期待建議如圖4中的5個基本管理模塊，分別為項目規(guī)劃與控制子系統(tǒng)、項目資源管理子系統(tǒng)、質量管理子系統(tǒng)、合作事務管理子系統(tǒng)和指令與審核支持子系統(tǒng)。項目規(guī)劃與控制子系統(tǒng)主要為新飛機項目設計，它的作用為規(guī)劃整個項目的關鍵節(jié)點和主要進度，并根據已經規(guī)劃好的節(jié)點控制各參研部門或IPT團隊的研發(fā)進程；項目資源管理子系統(tǒng)主要用于調用分派飛機設計制造過程中的各類資源，包括人力資源、設備資源等，針對具體大飛機型號建立IPT團隊并為IPT團隊分配具體的人力資源，實施過程中根據項目進度智能地適當增加或者減少資源控制人力成本；質量管理子系統(tǒng)建立完整的質量數(shù)據庫，管理型號研制過程中各類評審或者質量自查、復查產生的質量事件并及時通知設計人員協(xié)調解決關閉；合作事務管理子系統(tǒng)對合作供應商或者制造商的相關活動和事務進行管理，存儲各類供應商提交的設計資料和數(shù)據，向供應商發(fā)放設計要求文件和相關數(shù)模等；指令與審核支持子系統(tǒng)集成總師決策系統(tǒng)指令平臺，提供設計部門相關執(zhí)行行動項關閉接口。

圖4 數(shù)字化項目管理系統(tǒng)的組成Fig.4 Composition of digital project management system

9 制造過程

傳統(tǒng)飛機制造過程中尺寸傳遞仍大量采用模線樣板法，它借助具有特定形狀和尺寸的專門模具，使飛機設計圖紙中的形狀和尺寸能夠準確傳遞到零件上。該方法的缺點是會產生誤差的累積疊加，各個環(huán)節(jié)的尺寸誤差均可能反映到最終的零件上，而為了控制最終零件的誤差，一方面，設計人員可能對單個零件的尺寸公差要求得特別嚴謹，超過了生產單位的技術能力；另一方面，如果設計人員放松了單個零件的尺寸公差，巨大的積累誤差可能造成飛機部裝和總裝的困難，造成某些部件無法裝配或者強行裝配后產生巨大的應力，不能滿足疲勞強度要求。

大飛機制造過程中數(shù)字化技術期望貫穿設計制造的整個上下游，是對整個飛機進行的并行協(xié)同定義、建模和仿真。全三維數(shù)模技術的應用避開了三維數(shù)模生成二維圖紙的環(huán)節(jié)，使得三維數(shù)模數(shù)據從設計上游無縫傳遞到制造下游，具體的應用中可以期望將這些三維定義數(shù)據直接與制造車間的數(shù)字化加工設備相連，并與檢測設備接軌，實現(xiàn)設計數(shù)據與制造參數(shù)之間的精確對接[5-9]。

結束語

大飛機的數(shù)字化設計與制造是大飛機高科技含金量的體現(xiàn)，是信息技術和大飛機工程有機結合的具體應用。數(shù)字化技術將會越來越多地體現(xiàn)在大飛機設計的更多環(huán)節(jié)，如大飛機飛控系統(tǒng)數(shù)字化設計技術、大飛機氣動外形數(shù)字化設計技術、大飛機數(shù)字化高集成化裝配等。隨著信息技術的發(fā)展和計算機處理能力的提高，數(shù)字化技術會引起大飛機設計集成的創(chuàng)新、生產制造的自動集約化，必將推動大飛機工業(yè)產生革命性的巨變，引領航空工業(yè)邁上新的臺階。

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