陳 裕 /

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

0 引言

在早期的飛機(jī)研究過程中，需要通過制作真實(shí)縮比例物理樣機(jī)來驗(yàn)證飛機(jī)設(shè)計(jì)的空間幾何的協(xié)調(diào)性，一般來說，飛機(jī)研制過程是串行的，若前面一階段未完成驗(yàn)證，則無法繼續(xù)開展下一階段的設(shè)計(jì)改進(jìn)工作[1]。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，尤其是基于數(shù)字樣機(jī)建模與仿真的CAD/CAE(Computer Aided Design/ Computer Aided Engineering)等工具與手段迅速發(fā)展，在現(xiàn)代大飛機(jī)研制過程中，傳統(tǒng)的物理樣機(jī)已經(jīng)被數(shù)字化的三維數(shù)字樣機(jī)所替代，如20世紀(jì)90年代，在波音777飛機(jī)的研制過程中，數(shù)字樣機(jī)技術(shù)得到了應(yīng)用。按照國標(biāo)GB/T26100-2010的定義[2]：數(shù)字樣機(jī)是對產(chǎn)品整機(jī)或具有獨(dú)立功能的子系統(tǒng)的數(shù)字化描述。相對物理樣機(jī)而言，數(shù)字樣機(jī)核心是借助計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建的產(chǎn)品數(shù)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(shí)產(chǎn)品的特性。

同時(shí)，基于數(shù)字樣機(jī)，從方案論證到詳細(xì)設(shè)計(jì)需完成：基于數(shù)字化模型開展系統(tǒng)配置與協(xié)調(diào)；系統(tǒng)管路、電纜定位及取樣協(xié)調(diào)；運(yùn)動間隙控制與協(xié)調(diào)；駕駛艙、客艙、貨艙、電子電氣設(shè)備艙等艙段或部段的內(nèi)部布置與協(xié)調(diào)；人機(jī)工效設(shè)計(jì)與檢查；重要協(xié)調(diào)區(qū)域安全性、維修性協(xié)調(diào)等，跨部門和跨專業(yè)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)可以方便實(shí)現(xiàn)，研制過程可以并行?；跀?shù)字樣機(jī)的飛機(jī)研制流程與傳統(tǒng)物理樣機(jī)的研制流程相比較，其關(guān)系如圖1所示。

圖1 基于數(shù)字樣機(jī)和基于傳統(tǒng)方法的飛機(jī)產(chǎn)品開發(fā)模式

1 數(shù)字樣機(jī)的建模與仿真定義

數(shù)字樣機(jī)建模與仿真是大型民用飛機(jī)數(shù)字化的主要工作內(nèi)容，狹義上的數(shù)字樣機(jī)建模，即對飛機(jī)幾何特性的數(shù)字化的描述，建模的結(jié)果一般也稱為數(shù)字樣機(jī)或幾何樣機(jī)。

狹義上的數(shù)字樣機(jī)仿真一般指在三維建模系統(tǒng)中，針對模型的幾何協(xié)調(diào)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)動仿真，如活動部件和機(jī)構(gòu)仿真，以確定布置是否協(xié)調(diào)和滿足空間要求，如維修性、可達(dá)性的仿真，以確定飛機(jī)的維修特性是否滿足需求。廣義上的數(shù)字樣機(jī)仿真還包括在性能分析中，利用CFD(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)、熱、磁、結(jié)構(gòu)有限元分析等仿真軟件，對全機(jī)或部件在與飛機(jī)使用相關(guān)的環(huán)境中(如飛行大氣環(huán)境、特定的受載荷環(huán)境等)的空氣動力學(xué)、溫度場、電磁兼容、結(jié)構(gòu)動力學(xué)等特性進(jìn)行仿真；在工程模擬器中，模擬駕駛艙環(huán)境、通過人在回路進(jìn)行操作，對飛機(jī)或系統(tǒng)的綜合特性進(jìn)行仿真[3]。

由此，數(shù)字化建模將飛機(jī)產(chǎn)品研制過程中的飛機(jī)特性與使用場景全部通過計(jì)算機(jī)仿真實(shí)施，可以簡化飛機(jī)設(shè)計(jì)程序，提升飛機(jī)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)效率，縮短了研制周期，降低研制成本，提高飛機(jī)設(shè)計(jì)精度。

2 數(shù)字樣機(jī)建模與仿真的業(yè)務(wù)流程

對于民用飛機(jī)的研制而言，數(shù)字樣機(jī)建模與仿真的工作涵蓋在從概念設(shè)計(jì)到試驗(yàn)、試飛取證的每個階段，經(jīng)過歸納與總結(jié)，其流程與步驟主要包含以下8部分的內(nèi)容：

1)問題定義：確定數(shù)字樣機(jī)業(yè)務(wù)需求；

2)項(xiàng)目規(guī)劃：制定數(shù)字樣機(jī)研制的目標(biāo)與規(guī)劃(包括硬件、軟件、人力等資源)；

3)系統(tǒng)定義：確定數(shù)字樣機(jī)的范圍、功能、邊界條件等；

4)建模規(guī)則定義：制定數(shù)字樣機(jī)建模要求、數(shù)據(jù)格式要求、樣機(jī)協(xié)同方法、控制流程、管理流程、協(xié)調(diào)流程等；

5)建模：收集協(xié)調(diào)模型所需要的設(shè)計(jì)輸入，開展建模；

6)模型校核：檢查數(shù)字樣機(jī)是否正確地反映了輸入輸出關(guān)系以及是否正確地表示了飛機(jī)實(shí)物的特性；

7)仿真：對數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行檢查、協(xié)調(diào)、分析、試驗(yàn)驗(yàn)證；

8)分析與解釋：對仿真結(jié)果進(jìn)行評價(jià)。

3 數(shù)字樣機(jī)建模與仿真的難點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)

隨著數(shù)字樣機(jī)建模與仿真的技術(shù)不斷發(fā)展，目前，其在民機(jī)研制過程中應(yīng)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(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 數(shù)字化建模技術(shù)

數(shù)字樣機(jī)最早伴隨CAD技術(shù)的產(chǎn)生而提出，最初發(fā)展階段的數(shù)字樣機(jī)建模技術(shù)，需設(shè)計(jì)人員通過使用專業(yè)三維數(shù)模建模軟件對零部件進(jìn)行精確地幾何建模，生成飛機(jī)各種形狀零部件的三維模型實(shí)體及曲面，但是所構(gòu)成的三維數(shù)模無法集成各類工藝信息，因此設(shè)計(jì)人員需要將三維數(shù)模轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)的信息表述。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中，設(shè)計(jì)人員不僅要進(jìn)行三維建模，還需轉(zhuǎn)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(gòu)三維產(chǎn)品模型的方法，容易產(chǎn)生二次錯誤風(fēng)險(xiǎn)，難以保證數(shù)據(jù)的一致性[1]。

2003年，美國機(jī)械工程師協(xié)會(American Society of Mechanical Engineers，簡稱ASME)發(fā)布了關(guān)于三維模型標(biāo)注信息內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)(ASME Y14.41)[4]，波音公司在波音787飛機(jī)中全面推出了一種完全不同于工程圖的、全新的定義產(chǎn)品技術(shù)——基于模型的定義(Model Based Definition，簡稱MBD)，使得整個項(xiàng)目周期縮短約30%。

MBD 技術(shù)在過去三維設(shè)計(jì)、二維表達(dá)方法的基礎(chǔ)上，將飛機(jī)產(chǎn)品特有的所有幾何信息和過去不包含在飛機(jī)產(chǎn)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(chǎn)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(shè)計(jì)制造無遺失的信息傳遞模式，保持整個過程的數(shù)據(jù)唯一性，真正達(dá)到飛機(jī)研制的協(xié)同設(shè)計(jì)、異地制造目的。MBD技術(shù)的關(guān)鍵是建立一個結(jié)構(gòu)合理、信息完整的高質(zhì)量MBD數(shù)據(jù)集。一般來講，MBD數(shù)據(jù)集包含的信息如圖2所示[5]。

圖2 MBD數(shù)據(jù)集所包含信息

3.2 數(shù)字樣機(jī)建模/仿真數(shù)據(jù)管理平臺構(gòu)建技術(shù)

對于民用飛機(jī)數(shù)字樣機(jī)來說，為保障建模/仿真數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)構(gòu)型狀態(tài)清晰、可控，需要搭建相應(yīng)的管理平臺，管理在飛機(jī)各個設(shè)計(jì)階段的數(shù)字化三維模型和其它數(shù)據(jù)，對全機(jī)、部件和各個系統(tǒng)，都應(yīng)建立詳細(xì)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，對產(chǎn)品的數(shù)字化定義、版本、更改單、成熟度、裝配特性、工藝特性等進(jìn)行全面的管理[1]。同時(shí)，為了滿足研制的全球化及異地協(xié)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?qū)υO(shè)計(jì)工作的并行性、協(xié)同化進(jìn)行支持。

平臺的構(gòu)建應(yīng)充分調(diào)研和評估可利用的商業(yè)成熟產(chǎn)品，并利用已有型號積累的數(shù)字化資源進(jìn)行充分的驗(yàn)證。還需要做好建模、仿真工具和平臺之間的數(shù)據(jù)流的集成工作，優(yōu)化建模、仿真設(shè)計(jì)以及模型的全生命周期管理與工程流程的集成。

3.3 數(shù)字樣機(jī)仿真的可視化技術(shù)

構(gòu)造一個準(zhǔn)確、完整、理想化的模型是很難的，傳統(tǒng)數(shù)字樣機(jī)在可制造性、可維護(hù)性、人機(jī)工程等需要人機(jī)交互方面的模型及仿真相比較于物理樣機(jī)來說不夠直觀，隨著近年來虛擬可視化技術(shù)的發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)的可視化的價(jià)值得到了普遍認(rèn)可。

為了更真實(shí)地模擬和體驗(yàn)飛機(jī)的典型環(huán)境，需要應(yīng)用VR (Virtual Reality，簡稱VR)技術(shù)來搭建基于數(shù)字樣機(jī)可視化沉浸式虛擬和展示環(huán)境，如圖3所示。有沉浸感的虛擬樣機(jī)具有與物理樣機(jī)一樣的真實(shí)感，使其與人的交互與物理樣機(jī)的效果接近，成為物理樣機(jī)的合格替代者。沉浸式虛擬樣機(jī)平臺的實(shí)施，需要的經(jīng)費(fèi)較多，重點(diǎn)需要關(guān)注平臺搭建的軟硬件，要盡量采用開放性的、模塊化的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，最大限度地采用目前流行的產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)，平臺應(yīng)能夠集成各類已有的建模與仿真工具。

沉浸式虛擬數(shù)字樣機(jī)的建立，對于民機(jī)研制過程可以應(yīng)用在機(jī)身整體、各個分系統(tǒng)、駕駛艙或客艙內(nèi)部立體化人機(jī)工程分析與展示，多人協(xié)同虛擬裝配分析、虛擬拆裝、維修維護(hù)培訓(xùn)等方面，提供了一個可操作、虛擬交互和輔助決策及設(shè)計(jì)、方案驗(yàn)證及協(xié)調(diào)平臺，可以有效提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平。

圖3 VR技術(shù)在數(shù)字樣機(jī)仿真中的應(yīng)用

3.4 飛機(jī)多領(lǐng)域系統(tǒng)建模與仿真集成

伴隨CFD計(jì)算、CAE分析、系統(tǒng)仿真和數(shù)值計(jì)算等技術(shù)的不斷發(fā)展及其與數(shù)字樣機(jī)可視化技術(shù)的深度融合，可以基于計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行產(chǎn)品機(jī)、電、熱、磁、聲等多學(xué)科性能的建模、仿真、分析和展示，數(shù)字樣機(jī)范圍從早期狹義的幾何樣機(jī)發(fā)展到性能樣機(jī)階段。對于飛機(jī)的性能仿真，如飛機(jī)的氣動、飛行動力學(xué)、載荷、熱的建模與仿真，目前已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，但是對于這些多學(xué)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(gòu)建的模型的集成工作，可以借助于相應(yīng)的接口標(biāo)準(zhǔn)或開發(fā)相應(yīng)的接口工具來實(shí)現(xiàn)。另外，對于飛機(jī)系統(tǒng)間交聯(lián)耦合和系統(tǒng)綜合性能，還需要通過多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)綜合性能的優(yōu)化[6]。

目前，傳統(tǒng)數(shù)字樣機(jī)僅用于描述飛機(jī)的理論幾何狀態(tài)，并未考慮飛機(jī)在實(shí)際使用環(huán)境狀態(tài)下的幾何狀態(tài)，即飛機(jī)性能樣機(jī)的各集成仿真結(jié)果對于飛機(jī)幾何特性的影響，尚未集成到飛機(jī)的幾何數(shù)字樣機(jī)上。因此，有必要定義描述飛機(jī)實(shí)物實(shí)際使用特性的數(shù)字樣機(jī)，這項(xiàng)工作的開展對于基于幾何樣機(jī)的協(xié)調(diào)結(jié)果的仿真準(zhǔn)確性有著極為重要的支撐，并能顯著降低飛機(jī)研制的風(fēng)險(xiǎn)。特別對于飛機(jī)上空間緊張、受環(huán)境影響較大的區(qū)域，如民機(jī)超臨界機(jī)翼的后緣區(qū)域的系統(tǒng)布置，由于空間受限，需要對布置隔離間隙進(jìn)行合理分配，確保能滿足飛機(jī)飛行安全的需求。對于傳統(tǒng)的幾何樣機(jī)的空間協(xié)調(diào)來說，可能基于某一構(gòu)型狀態(tài)下的機(jī)翼幾何特性開展布置協(xié)調(diào)工作，而機(jī)翼在地面和在空中巡航狀態(tài)下的機(jī)翼變形較大，這種變形對內(nèi)部系統(tǒng)布置安裝間隙的影響，是需要借助于數(shù)字樣機(jī)的仿真集成來研究和考慮的。

4 結(jié)論

目前，數(shù)字樣機(jī)建模與仿真技術(shù)有了飛速發(fā)展，隨著建模技術(shù)與仿真手段的不斷提升，數(shù)字樣機(jī)在飛機(jī)產(chǎn)品全生命周期中應(yīng)用的范圍也越來越廣，有效縮短了大飛機(jī)的設(shè)計(jì)制造進(jìn)程。同時(shí)對于數(shù)字樣機(jī)仿真技術(shù)的集成、虛擬環(huán)境的構(gòu)建等方面還需繼續(xù)開展研究并與飛機(jī)研制相互促進(jìn)，進(jìn)一步提升數(shù)字樣機(jī)的仿真精度。