徐 劍 /

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

0 引言

飛機(jī)數(shù)字樣機(jī)是飛機(jī)產(chǎn)品的數(shù)字化表述，是與飛機(jī)相關(guān)的所有三維數(shù)字信息構(gòu)成的產(chǎn)品模型集合。數(shù)字樣機(jī)能夠完成以下功能：基于工程的參數(shù)化三維零部件模型設(shè)計(jì)、制造和裝配模擬；零部件干涉間隙、裝配檢查，最大限度地避免樣機(jī)制造過程中返工；機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真分析；模擬真實(shí)場景的零部件有限元分析、動力學(xué)分析、運(yùn)動學(xué)分析、模擬各種各樣作用力分析；作為CAM/PDM/ERP(CAM，Computer-aided Manufacturing，計(jì)算機(jī)輔助制造；PDM， Product Data Management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理；ERP，Enterprise Resource Planning，企業(yè)資源計(jì)劃)的前端數(shù)據(jù)源，進(jìn)行相關(guān)功能、性能的仿真等。

現(xiàn)代企業(yè)對于產(chǎn)品的研制，追求最快的產(chǎn)品上市時間、最好的產(chǎn)品質(zhì)量、最低的產(chǎn)品成本、良好的產(chǎn)品服務(wù)和盡可能少的環(huán)境污染等以適應(yīng)和挑戰(zhàn)市場的激烈競爭。數(shù)字樣機(jī)憑借以上功能和優(yōu)勢，可以形象直觀地對數(shù)字化的虛擬產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、性能測試、制造和使用仿真，為產(chǎn)品的研發(fā)提供全新設(shè)計(jì)方法。與傳統(tǒng)的物理樣機(jī)相比，在降低產(chǎn)品的開發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能，獲得最優(yōu)化的創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)，快速響應(yīng)市場變化以及為產(chǎn)品提供更良好的服務(wù)方面，都具有無法估量的優(yōu)勢[1]。

現(xiàn)在汽車、機(jī)械、船舶、航空航天行業(yè)越來越廣泛地使用數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、仿真與驗(yàn)證。

1 數(shù)字樣機(jī)的發(fā)展歷程

20世紀(jì)80年代以前，所有的飛機(jī)都是在繪圖板上“誕生”的。使用二維工程圖樣設(shè)計(jì)生產(chǎn)三維真實(shí)的飛機(jī)，工程研制具有巨大的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性。把一架超過10萬個零件的飛機(jī)完全按二維圖紙方法設(shè)計(jì)出來，并使用二維圖樣把三維飛機(jī)上所有復(fù)雜事項(xiàng)都考慮了進(jìn)去，到了最后總會出現(xiàn)讓人不愉快的情況，因?yàn)榘岩磺星闆r都在二維圖樣上考慮周全是幾乎不可能的事情。

為了管控好其中的復(fù)雜問題，糾正管理偏差，使其得到完善，往往需要制造昂貴且周期漫長的飛機(jī)物理實(shí)物樣機(jī)提供輔助支持。但是最后，研制情況依然不盡人意，因?yàn)槲锢韺?shí)物樣機(jī)的生產(chǎn)制造總不可避免地存在缺陷，又有著不可思議的復(fù)雜性，到了車間在總裝首批飛機(jī)的時候，仍然會發(fā)現(xiàn)考慮不周的意外事件。

數(shù)字樣機(jī)是20世紀(jì)90年代隨著CAD/CAM(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，從傳統(tǒng)的飛機(jī)協(xié)同研制模式中變革出的巨大產(chǎn)物，它的出現(xiàn)極大地改變和革新了飛機(jī)協(xié)同研制的模式，開創(chuàng)了飛機(jī)數(shù)字化協(xié)同研制的新階段。

同時，隨著飛機(jī)數(shù)字化協(xié)同研制發(fā)展歷程經(jīng)歷數(shù)字化產(chǎn)品定義、數(shù)字化過程管理、優(yōu)勢企業(yè)中心聯(lián)合三個階段的發(fā)展[2]，數(shù)字樣機(jī)也不斷進(jìn)化和完善本身的內(nèi)涵和作用。

1.1 飛機(jī)數(shù)字化協(xié)同研制數(shù)字化產(chǎn)品定義階段的數(shù)字樣機(jī)

1990年，波音公司在波音777飛機(jī)研制過程中首次采用全面的產(chǎn)品三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，進(jìn)行100%的三維數(shù)字化產(chǎn)品定義、100%的數(shù)字化預(yù)裝配和100%的并行產(chǎn)品定義[3]，利用計(jì)算機(jī)及其軟件進(jìn)行無紙化設(shè)計(jì)，完成了世界第一款全數(shù)字化定義的數(shù)字樣機(jī)，開創(chuàng)了數(shù)字樣機(jī)在飛機(jī)數(shù)字化協(xié)同研制中應(yīng)用的先河，革新了傳統(tǒng)飛機(jī)協(xié)同研制的模式。圖1為波音777全機(jī)數(shù)字樣機(jī)。

圖1 波音777全機(jī)數(shù)字樣機(jī)

數(shù)字樣機(jī)三維數(shù)字化模型精確定義的飛機(jī)零部件幾何尺寸和形狀，可以讓工程師及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)誤差，判定數(shù)以萬計(jì)的零件裝配是否合理，然后開始制造實(shí)體的原型機(jī)，解決設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)和制造的問題，極大地提高飛機(jī)制造質(zhì)量、降低成本和縮短周期。

波音777數(shù)字樣機(jī)的主要特征是建立了全三維的數(shù)字化模型，并進(jìn)行數(shù)字化預(yù)裝配[4]，利用數(shù)字模型進(jìn)行虛擬裝配來檢查幾何干涉和裝配協(xié)調(diào)，并通過三維數(shù)字化模型進(jìn)行質(zhì)量特性、人機(jī)功效分析、剛度/強(qiáng)度分析仿真等，替代了傳統(tǒng)物理實(shí)物樣機(jī)的設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)作用。波音777數(shù)字樣機(jī)是最初級的數(shù)字樣機(jī)，但卻開創(chuàng)了飛機(jī)數(shù)字化協(xié)同研制的新階段，具有跨時代的意義。

受限于當(dāng)時軟硬件技術(shù)條件，波音777數(shù)字樣機(jī)未真正意義上實(shí)現(xiàn)100%的數(shù)字化定義，一部分尺寸公差與技術(shù)要求規(guī)范仍然使用二維圖紙進(jìn)行定義，作為三維模型的補(bǔ)充和參考。

1.2 飛機(jī)數(shù)字化協(xié)同研制數(shù)字化過程管理階段的數(shù)字樣機(jī)

1995年以后，波音公司在新一代737NG系列研制中開始實(shí)施基于過程驅(qū)動的飛機(jī)構(gòu)型定義和控制制造資源的管理理念，通過建立單一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)源(波音777三維模型與二維圖紙并存)，使用產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)軟件將飛機(jī)的全生命周期的產(chǎn)品數(shù)據(jù)和企業(yè)的相關(guān)活動進(jìn)行統(tǒng)一的管理。

與此對應(yīng)的737NG數(shù)字樣機(jī)也得到了新的發(fā)展。737NG數(shù)字樣機(jī)將三維數(shù)字化模型與構(gòu)型管理的產(chǎn)品數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了基于構(gòu)型管理的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模塊化數(shù)字樣機(jī)，同時根據(jù)不同的構(gòu)型視圖定義進(jìn)行配置管理，以實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字樣機(jī)的過程數(shù)據(jù)集成和管理。 圖2為波音737-700飛機(jī)。

圖2 波音737-700飛機(jī)

同時期，空客A380數(shù)字樣機(jī)將數(shù)字樣機(jī)的內(nèi)涵和應(yīng)用范圍進(jìn)行了擴(kuò)展，A380的數(shù)字樣機(jī)范圍不僅包含傳統(tǒng)意義上進(jìn)行生產(chǎn)制造的詳細(xì)設(shè)計(jì)(模型)數(shù)字樣機(jī)，還包括主幾何模型、初步空間分配數(shù)字樣機(jī)、制造工藝重構(gòu)數(shù)字樣機(jī)、銷售展示數(shù)字樣機(jī)、工裝型架數(shù)字樣機(jī)、維修維護(hù)數(shù)字樣機(jī)等，將數(shù)字樣機(jī)的范圍從設(shè)計(jì)擴(kuò)展至銷售、制造、維護(hù)等飛機(jī)的全生命周期。同時，通過構(gòu)型管理的各種視圖定義與屬性關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)可配置化管控。將數(shù)字樣機(jī)模型通過仿真與虛擬技術(shù)配合完成數(shù)字化銷售、客戶選型、模擬安裝、生產(chǎn)模擬、虛擬維修、機(jī)組維修培訓(xùn)等后端仿真驗(yàn)證工作，極大地拓展了數(shù)字樣機(jī)的應(yīng)用范圍。圖3為A380空間分配數(shù)字樣機(jī)。

圖3 A380空間分配數(shù)字樣機(jī)

這一時期數(shù)字樣機(jī)的主要特點(diǎn)是，在完善加強(qiáng)原有三維數(shù)字化定義的基礎(chǔ)上，通過與構(gòu)型管理相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊化管理的數(shù)字樣機(jī)；通過各種視圖定義將數(shù)字樣機(jī)的范圍拓展至全生命周期，通過屬性成熟度實(shí)現(xiàn)技術(shù)過程狀態(tài)管理；基于數(shù)字樣機(jī)實(shí)現(xiàn)后端仿真驗(yàn)證活動，將數(shù)字樣機(jī)的范圍和應(yīng)用都擴(kuò)展至了一個新的領(lǐng)域，極大地發(fā)揮了數(shù)字樣機(jī)的作用。

1.3 飛機(jī)數(shù)字化協(xié)同研制優(yōu)勢企業(yè)中心聯(lián)合階段的數(shù)字樣機(jī)

20世紀(jì)后期開始，飛機(jī)數(shù)字化協(xié)同研制提出需在產(chǎn)品研制初期利用數(shù)字化仿真技術(shù)描述產(chǎn)品的行為狀態(tài)，通過對數(shù)字樣機(jī)的仿真實(shí)驗(yàn)分析、驗(yàn)證認(rèn)可飛機(jī)產(chǎn)品的性能后，進(jìn)行產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)制造，從而降低產(chǎn)品的研制技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

典型的代表是F35飛機(jī)的研制，洛克希德馬丁公司充分發(fā)揮了全球合作伙伴的最優(yōu)技術(shù)能力，以數(shù)字化設(shè)計(jì)制造管理為重點(diǎn)，形成了全球性的虛擬數(shù)字化協(xié)同研制環(huán)境。F35以數(shù)字樣機(jī)為載體和手段，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品數(shù)字化、設(shè)計(jì)數(shù)字化、試驗(yàn)數(shù)字化、飛行數(shù)字化高度集成的數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造、仿真、驗(yàn)證，將數(shù)字樣機(jī)和利用數(shù)字樣機(jī)相關(guān)的前端仿真設(shè)計(jì)、后端仿真驗(yàn)證綜合集成，使數(shù)字樣機(jī)突破了原有狹義幾何數(shù)字樣機(jī)的約束，擴(kuò)轉(zhuǎn)到性能仿真、計(jì)算、驗(yàn)證的廣義非幾何領(lǐng)域。圖4為F35數(shù)字化模擬與實(shí)際裝配。

(a)F35數(shù)字化模擬裝配

(b)F35實(shí)際裝配圖4 F35數(shù)字化模擬與實(shí)際裝配

波音787數(shù)字樣機(jī)是由全世界6 000名工程師聯(lián)合協(xié)同設(shè)計(jì)，按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造和產(chǎn)品支持而建立的基于全面MBD(Model Based Definition，簡稱MBD)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的全球設(shè)計(jì)協(xié)同的數(shù)字樣機(jī)[5]。同時，通過應(yīng)用數(shù)字樣機(jī)數(shù)字化工廠、虛擬安裝和虛擬總裝、數(shù)字化維修和客戶支持、數(shù)字化客戶展示和配置體驗(yàn)配合飛機(jī)全生命周期的各項(xiàng)工作[6]。2006年12月，波音公司使用最新的3D虛擬技術(shù)結(jié)合波音787數(shù)字樣機(jī)展示了虛擬的波音787夢想飛機(jī)下線，將數(shù)字樣機(jī)在飛機(jī)研制后端的仿真驗(yàn)證應(yīng)用提升到新的高度。圖5為波音787數(shù)字樣機(jī)模擬全機(jī)總裝。

圖5 波音787數(shù)字樣機(jī)模擬全機(jī)總裝

空客A350同樣建立了全球協(xié)同的數(shù)字樣機(jī)(如圖6所示)，提出以數(shù)字樣機(jī)作為主數(shù)據(jù)，使全球大約4 000名工程師在統(tǒng)一的數(shù)字化平臺中進(jìn)行設(shè)計(jì)協(xié)同，建立了大約30 000個數(shù)字化三維模型，17 000 000個數(shù)據(jù)鏈接，將數(shù)字樣機(jī)劃分為飛機(jī)類數(shù)字化三維模型和非飛機(jī)類數(shù)字化三維模型[7]。飛機(jī)類數(shù)字化三維模型主要服務(wù)于飛機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，而非飛機(jī)類數(shù)字化三維模型用于反映飛機(jī)制造過程中的周邊設(shè)備和信息，主要是工藝規(guī)范、維修操作、試驗(yàn)和其他方法等，具體包括生產(chǎn)設(shè)施、型架與工具、通用服務(wù)設(shè)備、維護(hù)設(shè)備、試驗(yàn)設(shè)備，以及市場和物流貨運(yùn)等信息，促進(jìn)設(shè)計(jì)上、下游之間數(shù)據(jù)傳遞的效率和正確性。A350飛機(jī)同時開展了基于數(shù)字樣機(jī)的前端仿真設(shè)計(jì)活動，論證前期不同方案的性能指標(biāo)，以進(jìn)行多專業(yè)多方案的優(yōu)化論證。

圖6 A350數(shù)字樣機(jī)(銷售展示)

這一時期數(shù)字樣機(jī)的主要特征是數(shù)字樣機(jī)不再局限于企業(yè)內(nèi)部，成為了全球跨企業(yè)數(shù)字化協(xié)同的數(shù)字樣機(jī)。數(shù)字樣機(jī)內(nèi)涵的范圍也進(jìn)一步得到擴(kuò)大，不僅僅局限于飛機(jī)產(chǎn)品的幾何領(lǐng)域，同時向非幾何領(lǐng)域的功能仿真、虛擬維修、數(shù)字化工廠、仿真計(jì)算進(jìn)一步擴(kuò)展，利用三維零件的多體模型和有限元模型，在虛擬實(shí)驗(yàn)室或虛擬試驗(yàn)場的試驗(yàn)中精確地預(yù)測產(chǎn)品的操作性能，如運(yùn)動/操縱性、振動/噪聲、耐久性/疲勞、安全性/沖擊、工效學(xué)/舒適性等，基于數(shù)字樣機(jī)模型的后端仿真驗(yàn)證應(yīng)用活動更加趨于成熟；同時基于數(shù)字樣機(jī)模型的前端設(shè)計(jì)仿真活動也進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)和發(fā)展。

數(shù)字樣機(jī)不再是局限于幾何領(lǐng)域的三維數(shù)字化模型集合，而逐漸成為以三維數(shù)字化模型為核心和載體的數(shù)字化虛擬產(chǎn)品協(xié)同研制環(huán)境。圖7為數(shù)字樣機(jī)隨飛機(jī)數(shù)字化協(xié)同研制的發(fā)展歷程。

圖7 數(shù)字樣機(jī)隨飛機(jī)數(shù)字化協(xié)同研制的發(fā)展歷程

2 總結(jié)與展望

綜上所述，數(shù)字樣機(jī)是飛機(jī)數(shù)字化協(xié)同研制的產(chǎn)物和集中體現(xiàn)，也是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)數(shù)字化協(xié)同研制的有效載體和手段(方法)。

數(shù)字樣機(jī)發(fā)展到現(xiàn)今已經(jīng)慢慢從幾何、物理安裝等角度對飛機(jī)進(jìn)行數(shù)字化的定義、仿真及制造，確保實(shí)際飛機(jī)制造及裝配過程中可能出現(xiàn)的問題在早期得到發(fā)現(xiàn)與解決，并驅(qū)動設(shè)計(jì)制造過程快速迭代的狹義幾何數(shù)字樣機(jī)，轉(zhuǎn)變?yōu)閺墓δ?、性能、行為等角度對飛機(jī)進(jìn)行數(shù)字化的定義、仿真驗(yàn)證及功能集成測試，確保飛機(jī)試驗(yàn)/試飛/取證過程中可能出現(xiàn)的問題在早期得到發(fā)現(xiàn)與解決，并盡可能將飛機(jī)研發(fā)的大循環(huán)改為小循環(huán)的廣義功能數(shù)字樣機(jī)。數(shù)字樣機(jī)作用的焦點(diǎn)也從“確保飛機(jī)能裝”向“確保飛機(jī)能飛”發(fā)展轉(zhuǎn)變。圖8為基于功能仿真驗(yàn)證的數(shù)字樣機(jī)。

圖8 基于功能仿真驗(yàn)證的數(shù)字樣機(jī)

展望未來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和新技術(shù)與數(shù)字樣機(jī)的不斷融合，飛機(jī)數(shù)字樣機(jī)將最終成為全數(shù)字化的虛擬飛機(jī)。