李 晨，秦田亮，賈西文，王 巖，陳 程，高麗敏，徐吉峰，2

（1.中國(guó)商飛北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102200；2.太原理工大學(xué)，太原 030024）

與傳統(tǒng)材料相比，復(fù)合材料除了較高的比強(qiáng)度、比剛度和比模量之外，還具有優(yōu)異的疲勞耐久性[1–2]。復(fù)合材料的力學(xué)性能具有各向異性，在進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)即可根據(jù)服役要求對(duì)材料性能進(jìn)行設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，復(fù)合材料還具備設(shè)計(jì)和制造一體化、結(jié)構(gòu)一體化成型、可集成傳感器等方面的巨大優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿3]。在當(dāng)前民用飛機(jī)研制中，主要使用的先進(jìn)復(fù)合材料一般為聚合物基體碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。復(fù)合材料在全機(jī)結(jié)構(gòu)件中的使用比例已成為衡量民機(jī)先進(jìn)性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，如空客A350和波音787客機(jī)的復(fù)合材料用量已達(dá)到50%以上。復(fù)合材料制造是民機(jī)制造領(lǐng)域至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

對(duì)于民用飛機(jī)而言，安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的“四性”原則是決定其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素，這些要求使得民用飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造過(guò)程極為嚴(yán)苛，對(duì)民用飛機(jī)設(shè)計(jì)制造過(guò)程采用適當(dāng)方式進(jìn)行全流程的監(jiān)控、建模、孿生控制是保障民機(jī)結(jié)構(gòu)安全和可靠性的重要而有效的手段之一。賽博物理系統(tǒng)（Cyber-physical system，CPS）調(diào)狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)監(jiān)控和自主決策，數(shù)字孿生（Digital twin）技術(shù)則被認(rèn)為是CPS的核心技術(shù)[4]，也是貫穿產(chǎn)品全壽命周期管理的關(guān)鍵支撐技術(shù)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)也從單純的產(chǎn)品數(shù)字孿生體向生產(chǎn)制造過(guò)程和流程轉(zhuǎn)變，在數(shù)字孿生模型構(gòu)建及其可視化方面，Schroeder等[5]提出采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生模型的可視化。Cai等[6]在構(gòu)建機(jī)床的數(shù)字孿生模型中通過(guò)外加傳感器采集和獲取機(jī)床數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)信息融合。當(dāng)前圍繞產(chǎn)品、生產(chǎn)設(shè)備等的數(shù)字孿生研究較為廣泛，針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制備等工藝流程的數(shù)字孿生技術(shù)研究鮮見，對(duì)解決工藝數(shù)字孿生中信息空間與物理空間虛實(shí)交互的一致性、同步性以及實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)控等亟須開展研究。

1 工藝數(shù)字孿生

1.1 復(fù)合材料制造工藝概述

先進(jìn)復(fù)合材料纖維增強(qiáng)體一般選用連續(xù)形式，而與之結(jié)合的基體材料一般為樹脂材料。碳纖維組分呈現(xiàn)的初始形式一般為預(yù)浸料或者未浸樹脂的干纖維。針對(duì)不同的復(fù)材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求和原材料形式，常用的復(fù)材主要成型工藝包括纖維纏繞、手糊成型、液體成型、模壓成型等。然而，目前國(guó)內(nèi)手工鋪疊預(yù)浸料和熱壓罐固化仍是航空航天工業(yè)最為廣泛采用的復(fù)合材料制造工藝，這些傳統(tǒng)的復(fù)合材料成型工藝導(dǎo)致了復(fù)合材料應(yīng)用成本較高。

復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲技術(shù)（Automated fiber placement，AFP）解決了大曲率、多梁框等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造問(wèn)題，并能有效降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，有利于復(fù)合材料構(gòu)件質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性，已經(jīng)成為制備纖維預(yù)成型體結(jié)構(gòu)的典型工藝[7–9]。自動(dòng)鋪絲技術(shù)由美國(guó)于20世紀(jì)90年代開發(fā)，用于制造復(fù)合材料機(jī)身結(jié)構(gòu)。該工藝針對(duì)纏繞技術(shù)的不足進(jìn)行了創(chuàng)新，其技術(shù)核心是鋪絲頭 （圖1）的設(shè)計(jì)、鋪絲路徑的規(guī)劃及相應(yīng)干纖維材料體系和與之對(duì)應(yīng)的復(fù)材構(gòu)件設(shè)計(jì)方法、制造標(biāo)準(zhǔn)等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的開發(fā)。同時(shí)，由專業(yè)軟件制造商進(jìn)一步開發(fā)出CAD/CAM軟件，基于Dassault公司CATIA制圖軟件開發(fā)的自動(dòng)鋪帶軟件，可以直接與CATIA集成，極大地提高了設(shè)計(jì)效率。

圖1 鋪絲頭結(jié)構(gòu)原理Fig.1 Principle of fiber placement head structure

長(zhǎng)期以來(lái)，液體成型技術(shù)作為低成本復(fù)合材料制造技術(shù)的代表，以其高效、低成本和便于整體成型等優(yōu)點(diǎn)而廣受關(guān)注，但是受限于工藝自身特點(diǎn)，液體成型復(fù)合材料在制件的纖維體積含量和成型質(zhì)量控制方面成為該技術(shù)的瓶頸[10]。圖2為復(fù)合材料液體成型工藝示意圖。

圖2 復(fù)合材料液體成型工藝示意圖Fig.2 Schematic diagram of liquid composite molding process

相較于傳統(tǒng)的復(fù)合材料成型工藝，復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲–液體成型技術(shù)使用自動(dòng)鋪放技術(shù)制備預(yù)成型體后，再采用液體成型方法進(jìn)行樹脂浸漬，將自動(dòng)鋪放和液體成型兩種工藝結(jié)合，避免了傳統(tǒng)纖維自動(dòng)鋪放后進(jìn)入熱壓罐固化的過(guò)程，極大地減少了人為手工干預(yù)和液體成型時(shí)預(yù)成型體的制備問(wèn)題，展現(xiàn)出極強(qiáng)的應(yīng)用前景。自動(dòng)鋪絲機(jī)的控制和編程與數(shù)控機(jī)床相類似，可實(shí)時(shí)監(jiān)控加工過(guò)程，為實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料低成本、數(shù)字孿生和智能制造提供了解決路徑。俄羅斯已在MC21客機(jī)首次采用干纖維自動(dòng)鋪絲預(yù)成型體和液體成型技術(shù)相結(jié)合制造了機(jī)翼主承力結(jié)構(gòu)，打破了熱壓罐成型在航空主承力結(jié)構(gòu)件制造上的壟斷地位[11]。

1.2 數(shù)字孿生、數(shù)據(jù)線索及當(dāng)前研究現(xiàn)狀

數(shù)字孿生的概念源于數(shù)字樣機(jī)（Digital mock-up，DMU），屬于產(chǎn)品和產(chǎn)品全生命周期研究范疇。數(shù)字孿生的概念最早由美國(guó)密西根大學(xué)的Michael W.Grieves教授于2003年在他講授的產(chǎn)品生命周期管理 （Product lifecycle management，PLM）課程中提出，其概念“與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字化表達(dá)”相一致，經(jīng)歷了“鏡像空間模型” （Mirrored space model）和“信息鏡像模型”（Information mirroring model）等階段，此時(shí)數(shù)字孿生的定義還僅僅局限于從微觀原子級(jí)到宏觀幾何級(jí)全面描述潛在生產(chǎn)或者實(shí)際制造產(chǎn)品的虛擬信息結(jié)構(gòu)這種狹義的范疇。受限于當(dāng)時(shí)的信息技術(shù)理論和硬件設(shè)備計(jì)算能力、技術(shù)水平等因素，這一概念并沒(méi)有立即獲得重視。直到2011年，Grieves教授將上述概念正式命名為“數(shù)字孿生體”并沿用至今[12]。一個(gè)典型的數(shù)字孿生的概念模型如圖3所示，主要包括物理空間中的實(shí)體產(chǎn)品、虛擬產(chǎn)品及所處的完整虛擬空間及其分支子虛擬空間以及聯(lián)系物理空間和虛擬空間傳遞數(shù)據(jù)和信息的交互接口3個(gè)部分。

圖3 數(shù)字孿生的概念模型Fig.3 Conceptual model of digital twin

美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室 （Air Force Research Laboratory，AFRL）于2011年提出計(jì)劃在2025年的時(shí)候，每交付一架實(shí)體戰(zhàn)斗機(jī)的同時(shí)要交付相對(duì)應(yīng)的一個(gè)機(jī)體孿生體模型。F15戰(zhàn)斗機(jī)孿生體如圖4所示[13]。美國(guó)國(guó)家航天局 （NASA）與AFRL于2012年共同定義了未來(lái)飛行器數(shù)字孿生體范例，并將數(shù)字孿生體定義為一個(gè)面向飛行器或系統(tǒng)的、集成的多物理、多尺度、概率仿真模型，它利用當(dāng)前最好的可用物理模型、更新的傳感器數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等來(lái)反映與該模型對(duì)應(yīng)的飛行實(shí)體的狀態(tài)[14]。

圖4 機(jī)體數(shù)字孿生方法[13]Fig.4 Digital twin method of aircraft body[13]

結(jié)合前文所述復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲–液體成型技術(shù)主要工藝流程，借鑒機(jī)體數(shù)字孿生方法，形成復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲–液體成型工藝孿生體如圖5所示。

圖5 復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲–液體成型工藝孿生體Fig.5 AFP–LCM digital twin

本文圍繞先進(jìn)復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲液體成型工藝這一典型的復(fù)合材料民機(jī)結(jié)構(gòu)低成本制造技術(shù)主要環(huán)節(jié)進(jìn)行探討，將數(shù)字孿生的概念引入復(fù)合材料民機(jī)結(jié)構(gòu)低成本制造技術(shù)的流程中，將傳統(tǒng)及現(xiàn)有設(shè)計(jì)制造流程與先進(jìn)數(shù)字化/智能制造的理念相結(jié)合，提出一種基于數(shù)字孿生的民機(jī)復(fù)合材料低成本研制體系架構(gòu)，并探討落地實(shí)現(xiàn)所需的主要關(guān)鍵技術(shù)。

1.3 數(shù)字孿生體系架構(gòu)

數(shù)字孿生技術(shù)基于物理空間產(chǎn)品與虛擬空間模型映射，涵蓋和集成多學(xué)科、多物理場(chǎng)、多尺度的動(dòng)態(tài)虛擬模型用以模擬真實(shí)物理環(huán)境空間中物體的運(yùn)作與機(jī)理。較完整的數(shù)字孿生體系架構(gòu)一般包括用戶應(yīng)用域、數(shù)字孿生域、現(xiàn)實(shí)空間物理域以及它們之間的信息數(shù)據(jù)交互和反饋[15–16]，如圖6所示。

圖6 數(shù)字孿生體系架構(gòu)Fig.6 Digital twin architecture

用戶應(yīng)用域包括用戶與系統(tǒng)交互并具體操作的應(yīng)用程序、人機(jī)交互界面和系統(tǒng)融合平臺(tái)。數(shù)字孿生域包括建模信息的管控、涉及過(guò)程仿真分析和先知先覺(jué)的預(yù)測(cè)判斷架構(gòu)，以及基于復(fù)雜情況多因素智能推斷和綜合決策等。數(shù)字孿生域則通過(guò)大量廣布的各類傳感器對(duì)現(xiàn)實(shí)空間物理域進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和感知，在獲得大量數(shù)據(jù)后，基于此進(jìn)行對(duì)應(yīng)數(shù)字孿生域的作動(dòng)調(diào)控。

1.4 若干主要關(guān)鍵技術(shù)概述

根據(jù)數(shù)字孿生的定義，結(jié)合先進(jìn)的民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)典型制造工藝的主要工作內(nèi)容：自動(dòng)鋪絲預(yù)成型體制備、工藝過(guò)程仿真模擬、樹脂灌注浸漬、固化脫模，如圖7所示。本文梳理了相關(guān)的主要關(guān)鍵技術(shù)，包括飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)、基于制造過(guò)程的多學(xué)科聯(lián)合仿真技術(shù)、制造過(guò)程實(shí)時(shí)感知與監(jiān)測(cè)調(diào)控，以及新一代數(shù)據(jù)傳輸和大數(shù)據(jù)管理技術(shù)。

圖7 關(guān)鍵技術(shù)總覽Fig.7 Overview of key technologies

2 民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)

20世紀(jì)80年代后期，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家率先開始了對(duì)復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)的研究，并實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用[17]。通過(guò)設(shè)計(jì)制造一體化可以提高產(chǎn)品的研制生產(chǎn)效率，并有效降低產(chǎn)品研制成本。目前，該技術(shù)已成為國(guó)際航空巨頭普遍采用的方法。

我國(guó)航空工業(yè)通過(guò)承擔(dān)國(guó)際合作和轉(zhuǎn)包項(xiàng)目，逐漸接觸到先進(jìn)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)。FiberSIM、CATIA CPD等基于數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)軟件的引進(jìn)和應(yīng)用，使設(shè)計(jì)人員可以針對(duì)零件幾何構(gòu)型、材料要求以及工藝等要素進(jìn)行權(quán)衡。依托復(fù)合材料設(shè)計(jì)軟件的使用，設(shè)計(jì)人員可視化纖維方向與鋪層形狀，在設(shè)計(jì)階段即可發(fā)現(xiàn)制造問(wèn)題，便于及時(shí)采取糾正措施；在零件的工藝設(shè)計(jì)階段可以進(jìn)行鋪層定義、工程設(shè)計(jì)、曲面展開等，并通過(guò)相應(yīng)傳輸接口將定義信息傳遞至鋪層定位儀和自動(dòng)下料機(jī)，確保了零件數(shù)字化定義的單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源和產(chǎn)品定義信息的正確完整，減少尺寸缺失、錯(cuò)誤以及數(shù)據(jù)傳輸誤差等造成的返工，進(jìn)而提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。圖8為鋪絲過(guò)程仿真與控制代碼軟件界面。

圖8 鋪絲路徑代碼控制與虛擬制造域Fig.8 Code of fiber placement path control and virtual manufacturing domain

現(xiàn)有工程軟件已實(shí)現(xiàn)直接獲取CATIA或者NX的三維型模，讀取FiberSIM和CATIA CPD相關(guān)鋪絲設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行自動(dòng)編程和后處理，生成數(shù)控程序。例如，Vericut公司開發(fā)的VCP軟件模塊可以將鋪絲相關(guān)鋪層 （鋪絲）曲面幾何、中心軌跡曲線、間隙曲面和重疊曲面等幾何信息以CATIA或STEP中性長(zhǎng)周期模型存儲(chǔ)格式輸出，提供設(shè)計(jì)參考使用；VCS模塊則可以構(gòu)建復(fù)雜的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)數(shù)控鋪絲指令，完成復(fù)合材料制造過(guò)程模擬和分析。

3 多學(xué)科聯(lián)合仿真技術(shù)

數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)與先進(jìn)仿真技術(shù)密不可分。復(fù)雜產(chǎn)品制造過(guò)程涉及多學(xué)科間交互融合，制造實(shí)體物理樣機(jī)周期長(zhǎng)、成本高，伴隨計(jì)算機(jī)硬件科技進(jìn)步和單一學(xué)科仿真技術(shù)的發(fā)展，利用多學(xué)科聯(lián)合仿真技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜產(chǎn)品虛擬分析，在未來(lái)產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中有廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)，自然科學(xué)和工程問(wèn)題普遍都具有尺度效應(yīng)及多尺度的特征，選取具有代表性的可重復(fù)單元作為聯(lián)系多尺度結(jié)構(gòu)的紐帶開展仿真分析與研究也是數(shù)字孿生的重要內(nèi)涵之一。自動(dòng)鋪絲–液體成型工藝過(guò)程主要涉及鋪絲路徑模擬、預(yù)成型體建模、溫度場(chǎng)變化下的傳質(zhì)傳熱、樹脂浸漬流體仿真和樹脂固化相變等多學(xué)科仿真分析技術(shù)，是踐行數(shù)字孿生體的極佳場(chǎng)景。

3.1 自動(dòng)鋪絲預(yù)成型體結(jié)構(gòu)多尺度精細(xì)建模技術(shù)

3.1.1 自動(dòng)鋪絲運(yùn)動(dòng)仿真

自動(dòng)鋪絲形成的纖維預(yù)成型體結(jié)構(gòu)形狀特征與鋪絲機(jī)進(jìn)行鋪絲的路徑規(guī)劃、絲束的尺寸形態(tài)以及最小鋪絲間距等特征密切相關(guān)。因此，在建立鋪絲頭運(yùn)動(dòng)仿真模型同時(shí)需要確定自動(dòng)鋪絲的路徑和鋪絲材料結(jié)構(gòu)特征等關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)而建立鋪絲預(yù)成型體結(jié)構(gòu)模型。

自動(dòng)鋪絲的路徑規(guī)劃算法主要有固定角、測(cè)地線和變角度3種，綜合考慮路徑規(guī)劃復(fù)雜程度和制件具體要求，選擇適當(dāng)方法作為自動(dòng)鋪絲的路徑規(guī)劃算法，確定鋪絲最小間距，采集纖維材料的幾何形貌特征作為預(yù)成型體多尺度精細(xì)建模的基礎(chǔ)。圖9為典型的自動(dòng)鋪絲頭運(yùn)動(dòng)仿真模型。

圖9 鋪絲頭運(yùn)動(dòng)和鋪絲預(yù)成型體仿真模型Fig.9 Simulation model for motion of fiber placement head and preform

3.1.2 預(yù)成型體多尺度結(jié)構(gòu)精細(xì)建模

纖維預(yù)成型體多尺度結(jié)構(gòu)主要可劃分為纖維束內(nèi)單絲微觀尺度（Micro-scale）、纖維束和纖維束間介觀尺度 （Meso-scale）以及宏觀零組件級(jí)尺度 （Macro-scale）。預(yù)成型體多尺度結(jié)構(gòu)建模如圖10所示。這里所謂的精細(xì)建模是指不同于以往基于設(shè)計(jì)制圖的幾何建模，模型需要充分表征出實(shí)際生產(chǎn)制造的結(jié)構(gòu)形式，包括產(chǎn)品質(zhì)量允許范圍內(nèi)的制造缺陷等都需要反映在結(jié)構(gòu)精細(xì)模型中。

圖10 預(yù)成型體多尺度結(jié)構(gòu)建模Fig.10 Multi-scale structures of preforms modeling

（1）微觀尺度結(jié)構(gòu)建模。

采用XCT（X-ray computed microtomography）進(jìn)行輔助幾何建模作為后續(xù)進(jìn)行微觀尺度樹脂流動(dòng)數(shù)值模擬的輸入，并與原位試驗(yàn)監(jiān)測(cè)樹脂流動(dòng)情況進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證；根據(jù)SEM掃描電鏡獲得的圖像信息得到纖維體積分?jǐn)?shù)、尺寸信息和排布規(guī)律，建立符合微觀結(jié)構(gòu)形貌的纖維束內(nèi)單絲結(jié)構(gòu)特征模型。

（2）介觀尺度結(jié)構(gòu)建模。

基于XCT技術(shù)和鋪絲路徑規(guī)劃算法所規(guī)劃的路徑，根據(jù)計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)原理結(jié)合Texgen纖維束結(jié)構(gòu)建模軟件，建立介于微觀和宏觀之間纖維束內(nèi)和束外具有重復(fù)結(jié)構(gòu)的表征體單元 （Respective element volume，REV）介觀尺度模型。

（3）宏觀尺度結(jié)構(gòu)建模。

宏觀預(yù)成型體結(jié)構(gòu)分別依據(jù)自動(dòng)鋪絲制備的平板類和曲面形預(yù)成型體結(jié)構(gòu)采用CATIA等三維建模軟件進(jìn)行建模。宏觀有限元模型由數(shù)個(gè)介觀尺度REV結(jié)構(gòu)和它們之間的過(guò)渡性結(jié)構(gòu)經(jīng)尺度升級(jí)構(gòu)成整個(gè)宏觀零、組件模型。現(xiàn)階段由于計(jì)算機(jī)硬件幾何建模算力限制，多尺度全域的精細(xì)建模實(shí)現(xiàn)尚存在困難，以REV結(jié)構(gòu)進(jìn)行具有代表性的結(jié)構(gòu)建模成為務(wù)實(shí)選項(xiàng)。

3.2 多尺度樹脂浸漬仿真

材料的宏觀性能表現(xiàn)往往由其微觀結(jié)構(gòu)和特性所決定，這也是對(duì)材料結(jié)構(gòu)多尺度層面開展研究的必要性所在。因此建立復(fù)合材料多尺度模型，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)從微觀到介觀再到宏觀多尺度制備工藝過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，開展虛擬試驗(yàn)預(yù)報(bào)成型工藝中缺陷產(chǎn)生機(jī)理、材料失效機(jī)理奠定了基礎(chǔ)；還可為材料服役狀態(tài)感知、智能材料等提供支撐，圖11為多尺度工藝仿真路徑[18]。

圖11 復(fù)合材料多尺度結(jié)構(gòu)建模和液體成型工藝仿真[18]Fig.11 Multi-scale structural modeling and liquid composite molding process simulation[18]

3.2.1 自動(dòng)鋪絲預(yù)成型體的多尺度滲透率預(yù)報(bào)

對(duì)滲透率的數(shù)值模擬計(jì)算采用有限元方法，可采用多物理場(chǎng)耦合仿真軟件COMSOL Multiphysics對(duì)樹脂飽和流動(dòng)后的穩(wěn)態(tài)滲透率和樹脂不飽和流動(dòng)的瞬時(shí)流動(dòng)前沿位置開展有限元模擬。COMSOL Multiphysics以有限元方法為基礎(chǔ)，通過(guò)求解數(shù)學(xué)偏微分方程或偏微分方程組來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)物理現(xiàn)象的模擬。

將微觀尺度的滲透率代入介觀尺度纖維束內(nèi)區(qū)域模型計(jì)算可以獲得介觀尺度束內(nèi)束外雙域滲透率，微觀滲透率也是介觀尺度樹脂流動(dòng)數(shù)值模擬的輸入；將局部具有代表特征的介觀尺度滲透率代入全局宏觀模型則可得到包括局部可變滲透率的整個(gè)宏觀尺度滲透率，進(jìn)而作為整個(gè)宏觀尺度樹脂流動(dòng)數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)參數(shù)[19]。整個(gè)滲透率逐級(jí)升級(jí)方式如圖12所示。

圖12 多尺度滲透率間聯(lián)系Fig.12 Connection between multi-scale permeability

3.2.2 基于自動(dòng)鋪絲預(yù)成型體的樹脂流動(dòng)數(shù)值模擬

自動(dòng)鋪絲預(yù)成型體結(jié)構(gòu)在纖維束內(nèi)的微觀尺度上，纖維單絲間形成孔隙流道。液體成型樹脂充模過(guò)程中，在介觀層面樹脂浸漬纖維束內(nèi)是多孔介質(zhì)流，在纖維束外、纖維束間的流動(dòng)為層流自由流區(qū)域，該尺度上主要由宏觀壓強(qiáng)和微觀毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)形成束外層流和束內(nèi)多孔介質(zhì)流的耦合流動(dòng)。在宏觀尺度上，整個(gè)預(yù)成型體則被認(rèn)為是多孔介質(zhì)構(gòu)成的整體，不同的預(yù)成型區(qū)域由于局部存在結(jié)構(gòu)差別 （纖維束間間隙、鋪層角度區(qū)別等）造成了局部滲透率間的差異。整個(gè)自動(dòng)鋪絲的預(yù)成型體多尺度結(jié)構(gòu)和有限元建模、數(shù)值模擬過(guò)程采用COMSOL Multiphysics軟件進(jìn)行 （圖13）。

圖13 自動(dòng)鋪絲預(yù)成型體的多尺度結(jié)構(gòu)和有限元模型Fig.13 Multi-scale structure and finite element model of preform for AFP

多尺度的幾何結(jié)構(gòu)模型成為整個(gè)多尺度樹脂流動(dòng)數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)和載體，而多尺度的滲透率則成為聯(lián)系不同尺度進(jìn)行尺度升級(jí)的主線。

3.3 樹脂固化變形仿真模擬技術(shù)

復(fù)合材料大型整體結(jié)構(gòu)件制造中復(fù)合材料在液體成型樹脂流動(dòng)充模過(guò)程中，構(gòu)件內(nèi)部因樹脂由液相轉(zhuǎn)化為固相發(fā)生相變而產(chǎn)生殘余應(yīng)力，構(gòu)件脫模后固化殘余應(yīng)力釋放，產(chǎn)生固化變形。固化后的變形將導(dǎo)致一系列的裝配和使用問(wèn)題。因此，有效地預(yù)測(cè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)固化后的變形是當(dāng)前復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中需要面對(duì)的問(wèn)題，更是復(fù)合材料自動(dòng)化低成本制造工藝仿真全流程實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，典型的復(fù)合材料固化仿真模擬如圖14所示[20]。

圖14 復(fù)合材料固化仿真模擬[20]Fig.14 Simulation of curing for composites [20]

熱固性樹脂基復(fù)合材料的固化仿真需要對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部的溫度、固化度、殘余應(yīng)力等參量的演化規(guī)律進(jìn)行研究，通過(guò)求解熱力學(xué)方程繼而求得固化變形量，這就需要考慮樹脂的固化反應(yīng)放熱，以及材料熱力學(xué)參數(shù)，諸如比熱、導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度和固化度的變化等。為了更準(zhǔn)確地描述樹脂固化過(guò)程，需要同步考慮樹脂流動(dòng)對(duì)固化過(guò)程的影響，這對(duì)厚截面復(fù)合材料的溫度場(chǎng)計(jì)算至關(guān)重要。

4 制造過(guò)程實(shí)時(shí)感知調(diào)控與信息交互技術(shù)

4.1 實(shí)時(shí)感知與監(jiān)測(cè)

降低復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造的初始缺陷率是復(fù)合材料構(gòu)件制造的重要目標(biāo)，傳統(tǒng)的復(fù)合材料構(gòu)件檢測(cè)往往通過(guò)人工進(jìn)行，存在著生產(chǎn)效率低、易漏檢等問(wèn)題。當(dāng)前，大型航空復(fù)合材料部件制造所采用的自動(dòng)鋪絲技術(shù)尚無(wú)法全面實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化制造，其中關(guān)鍵的制約因素在于目前必不可少的人工檢測(cè)環(huán)節(jié)。智能化在線檢測(cè)基于數(shù)字化和自動(dòng)化技術(shù)，綜合利用傳感器、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)取代人工檢測(cè)，直接提高制造效率，間接提升產(chǎn)品質(zhì)量，并降低生產(chǎn)成本。歐美科研機(jī)構(gòu)已圍繞該技術(shù)開展相關(guān)研發(fā)與驗(yàn)證工作，探尋基于數(shù)字化手段的自動(dòng)在線檢測(cè)方法，嘗試代替人工檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，提升自動(dòng)化鋪放效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造的“零缺陷”[21]。此外，檢測(cè)系統(tǒng)記錄全部的相關(guān)數(shù)據(jù)，將支撐智能化的工藝決策，讓用戶決策更有依據(jù)，提升部件質(zhì)量。通過(guò)數(shù)字化手段證明部件質(zhì)量，可使設(shè)計(jì)許用值的運(yùn)用變得更加靈活，進(jìn)一步優(yōu)化部件設(shè)計(jì)。先進(jìn)傳感器、光纖光柵的使用和發(fā)展，推動(dòng)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的運(yùn)用。材料成型技術(shù)、結(jié)構(gòu)仿真模擬和系統(tǒng)集成的發(fā)展，為建立面向復(fù)合材料制造過(guò)程實(shí)時(shí)狀態(tài)感知系統(tǒng)提供了可能。

根據(jù)文獻(xiàn)[22]，AFP設(shè)備制造商EI公司已開發(fā)了自動(dòng)化復(fù)合材料原位檢測(cè)系統(tǒng)，并應(yīng)用于波音民機(jī)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造，如圖15所示。該系統(tǒng)包括投影盒裝置、高分辨率攝像頭和安裝在鋪放頭上的激光輪廓曲線儀。通過(guò)激光及圖像識(shí)別組合定位模具和鋪放頭位置，可在三維空間中利用高分辨率圖像精準(zhǔn)定位，將圖像集連接即可在整個(gè)部件上為每個(gè)鋪層創(chuàng)建完整的圖像信息。

圖15 波音777X機(jī)翼自動(dòng)化原位檢測(cè)系統(tǒng)[22]Fig.15 In-situ automatic inspection system for Boeing 777X wing[22]

將前述建立的圖像集通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)組件分析，對(duì)合格制品表面與缺陷進(jìn)行分辨，并對(duì)不同缺陷進(jìn)行嚴(yán)格區(qū)分，結(jié)合大數(shù)據(jù)可以形成更為智能化的工藝決策支持工具。目前，ZAero項(xiàng)目通過(guò)開發(fā)如圖16所示的在線質(zhì)量控制手段，為自動(dòng)鋪絲關(guān)鍵生產(chǎn)工序提供解決方案，進(jìn)而提高了產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率。

圖16 用于AFP的在線傳感器Fig.16 Online sensors for AFP

4.2 工藝過(guò)程虛實(shí)交互

借助工業(yè)數(shù)字孿生，企業(yè)可以將工藝信息模型、制造工序模型、資源數(shù)字孿生模型與加工特征信息有機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程交互、計(jì)算、自動(dòng)化和智能化控制?；趯?shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算和分析加工誤差與制造缺陷等問(wèn)題，調(diào)用數(shù)字孿生平臺(tái)的模型參數(shù)確定工藝補(bǔ)償量和整體系統(tǒng)補(bǔ)償量，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，并對(duì)誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償和控制，通過(guò)5G通信技術(shù)將平臺(tái)指令反饋至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，完成工藝補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)控制與優(yōu)化，將最終的制造信息返回至平臺(tái)，構(gòu)成閉環(huán)管理。通過(guò)與物理設(shè)備實(shí)時(shí)連接，數(shù)字孿生體可以對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，數(shù)字孿生體將自動(dòng)觸發(fā)相應(yīng)的控制策略，保障生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定運(yùn)行和高效生產(chǎn) （圖17）。

圖17 工藝過(guò)程虛實(shí)交互與調(diào)控Fig.17 Virtual and real interaction and control of technological processes

4.3 人機(jī)交互

傳統(tǒng)的人機(jī)交互往往需要管理人員面對(duì)計(jì)算機(jī)屏幕對(duì)應(yīng)特定操作界面進(jìn)行操作。數(shù)字孿生中人機(jī)交互模塊通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí) （Virtual reality，VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented reality，AR）等技術(shù)，應(yīng)用于產(chǎn)線生產(chǎn)和實(shí)際維修操作，以增強(qiáng)加工過(guò)程的信息虛實(shí)融合與交互，如圖18所示。

圖18 VR與AR應(yīng)用于生產(chǎn)線輔助交互Fig.18 VR and AR applied to assist interaction at production line

5 新一代數(shù)據(jù)傳輸和大數(shù)據(jù)管理技術(shù)

自2010年起，為提高產(chǎn)品生產(chǎn)制造質(zhì)量和效率，傳感器技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展，在工業(yè)制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。生產(chǎn)制造過(guò)程中需要對(duì)各類傳感器和記錄儀器捕獲的大量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的傳輸和分析判斷，然后經(jīng)過(guò)后臺(tái)處理分析判斷形成的指令反向反饋回制造實(shí)施設(shè)備。5G技術(shù)的發(fā)展助推了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展并促進(jìn)了實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接與通信。設(shè)備制造端通過(guò)5G通信技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回傳到數(shù)字孿生平臺(tái)，數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)正在從傳統(tǒng)的以組件和機(jī)器為中心，轉(zhuǎn)向以客戶為中心的工業(yè)大數(shù)據(jù)管理，其核心是以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)的預(yù)測(cè)分析技術(shù)，其中基于人工智能的大數(shù)據(jù)分析和云計(jì)算的應(yīng)用將發(fā)揮重要作用[23]。一個(gè)典型的面向復(fù)合材料構(gòu)件制造的大數(shù)據(jù)管理體系架構(gòu)如圖19所示。

圖19 面向復(fù)合材料構(gòu)件制造的數(shù)據(jù)管理體系Fig.19 Data management system for composites component manufacturing

在大數(shù)據(jù)蓬勃發(fā)展的時(shí)代背景下，將復(fù)材制備工藝過(guò)程大數(shù)據(jù)結(jié)合人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)進(jìn)行分析管理可以更好地為民機(jī)制造服務(wù)，并可完善產(chǎn)品全壽命周期信息，從而達(dá)到高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化、實(shí)時(shí)化和智能化的目標(biāo)[24–25]。

6 民機(jī)復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲液體成型工藝數(shù)字孿生模型探討

構(gòu)建民機(jī)復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲液體成型工藝數(shù)字孿生模型需要圍繞民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)實(shí)際制造過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)開展，這些關(guān)鍵環(huán)節(jié)主要包括在數(shù)字孿生體端與物理實(shí)體構(gòu)件制造相對(duì)應(yīng)的制造工藝參數(shù)、制造模型、虛擬制造過(guò)程，以及基于制造過(guò)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和缺陷監(jiān)測(cè)分析而建立的多尺度有限元模型；在物理實(shí)體端需要在全流程制造設(shè)備上廣布監(jiān)控運(yùn)作的各類圖像、力學(xué)、位移和環(huán)境等高精度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與感知；在物理實(shí)體與數(shù)字孿生體間則通過(guò)孿生數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的高效傳輸和交互處理，如圖20所示。

圖20 基于數(shù)字孿生的民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造模型架構(gòu)Fig.20 Architecture of civil aircraft composites structure manufacturing model based on digital twin

由于生產(chǎn)制造過(guò)程中將產(chǎn)生大量的制造過(guò)程參數(shù)記錄，在物理實(shí)體和數(shù)字孿生體間，需要綜合運(yùn)用大數(shù)據(jù)管理和云計(jì)算存儲(chǔ)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高效的信息傳遞、數(shù)據(jù)分析、信息比對(duì)與輔助智能決策，并將基于數(shù)字孿生技術(shù)的仿真結(jié)果與基于大數(shù)據(jù)的理論分析結(jié)果進(jìn)行比較與結(jié)合： （1）可以實(shí)現(xiàn)制造執(zhí)行過(guò)程數(shù)據(jù)分析結(jié)果精度的顯著提高；（2）可以提升基于大數(shù)據(jù)的數(shù)字孿生模型的優(yōu)化改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)更高效精準(zhǔn)的執(zhí)行控制。

在民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造階段引入數(shù)字孿生模型，在制造工藝層面可對(duì)制造技術(shù)全流程進(jìn)行過(guò)程建模、數(shù)據(jù)匯聚與管控；針對(duì)具體結(jié)構(gòu)件的制造環(huán)節(jié)，則可作為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件數(shù)字孿生體的補(bǔ)充，包含所制備的具體構(gòu)件制造關(guān)鍵過(guò)程記錄及制造缺陷的差異化信息，預(yù)測(cè)結(jié)果的比較、分析與優(yōu)化，對(duì)實(shí)現(xiàn)可追溯性的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)全生命周期管控具有重要意義。同時(shí)，將技術(shù)構(gòu)想付諸實(shí)施落地和達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的過(guò)程中也面臨著諸多挑戰(zhàn)，需要深入思考與解決。

6.1 技術(shù)層面

（1）系統(tǒng)集成與協(xié)同難度較大。

由于自動(dòng)鋪絲液體成型工藝涉及多個(gè)系統(tǒng)、多種設(shè)備、多重仿真，數(shù)據(jù)來(lái)源和格式紛繁復(fù)雜，造成了系統(tǒng)集成與協(xié)同的困難。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合和傳輸模式并不能滿足工業(yè)數(shù)字化的需求，需要將涉及的各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行連接協(xié)作，形成統(tǒng)一的整體化的數(shù)字化智能平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息的無(wú)縫銜接。

（2）實(shí)時(shí)交互仍面臨挑戰(zhàn)。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造數(shù)字孿生需要基于對(duì)鋪絲、浸漬、脫模等各個(gè)制造過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)、全面準(zhǔn)確的監(jiān)控與模型仿真運(yùn)算，這對(duì)實(shí)時(shí)高效的交互反饋和控制提出了較高要求。然而，模型計(jì)算預(yù)測(cè)與驗(yàn)證將延長(zhǎng)數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，也進(jìn)一步提高了對(duì)軟硬件的性能要求。因此，需要建立高效的仿真運(yùn)算模型、精準(zhǔn)處理機(jī)制與高速安全的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。未來(lái)高性能計(jì)算中心、6G等更新一代的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展將為該問(wèn)題的解決提供支撐。

（3）大數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)、運(yùn)用與安全面臨風(fēng)險(xiǎn)。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造數(shù)字孿生的實(shí)施過(guò)程中將產(chǎn)生大量的生產(chǎn)信息、報(bào)錯(cuò)信息和冗余信息，如何將這些數(shù)據(jù)作為產(chǎn)品生產(chǎn)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行高效存儲(chǔ)，并保障優(yōu)化的生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)的信息安全，都需要進(jìn)行深入研究。

6.2 政策層面

（1）數(shù)字孿生工業(yè)領(lǐng)域行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范待建立。

當(dāng)前我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域數(shù)字孿生發(fā)展處于初創(chuàng)階段，學(xué)術(shù)領(lǐng)域研究較多，但在工業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用較少，針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制備領(lǐng)域開展的相關(guān)研究更為稀少。由于缺乏統(tǒng)一的行業(yè)規(guī)范，企業(yè)間對(duì)數(shù)字孿生的理解也存在較大差異，行業(yè)的發(fā)展仍然依賴于政策驅(qū)動(dòng)。未來(lái)可考慮由行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)定標(biāo)單位統(tǒng)籌開展相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或建議稿的制定，促進(jìn)技術(shù)的落地實(shí)施。

（2）行業(yè)相關(guān)人才培養(yǎng)體系尚待完善。

數(shù)字孿生的應(yīng)用尤其是在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制備領(lǐng)域，需要具備較強(qiáng)的技術(shù)能力和高水平的管理能力人才，例如對(duì)前沿的技術(shù)識(shí)別和攻克、數(shù)據(jù)分析和處理、設(shè)備運(yùn)行實(shí)施管控能力等專業(yè)人才的培養(yǎng)需要加強(qiáng)。

7 結(jié)論

本文面向當(dāng)前航空工業(yè)復(fù)合材料構(gòu)件制備中數(shù)字化制造程度較高、低成本且較有發(fā)展前景的自動(dòng)鋪絲液體成型技術(shù)開展數(shù)字孿生技術(shù)探討，主要圍繞落地實(shí)現(xiàn)所需的關(guān)鍵技術(shù)：數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)、民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)、制造工藝過(guò)程多尺度多學(xué)科仿真、制造過(guò)程實(shí)時(shí)感知與監(jiān)測(cè)調(diào)控技術(shù)以及新一代數(shù)據(jù)傳輸和大數(shù)據(jù)管理技術(shù)等進(jìn)行分析，將傳統(tǒng)及現(xiàn)有設(shè)計(jì)制造方法流程與先進(jìn)數(shù)字化、智能制造的理念相結(jié)合，提出一種基于數(shù)字孿生的民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造模型，基于當(dāng)前技術(shù)基礎(chǔ)展開了探討，并對(duì)實(shí)施中存在的問(wèn)題從技術(shù)層面與政策層面分別進(jìn)行了分析。希望本研究為后續(xù)依托自動(dòng)鋪絲液體成型工藝開展數(shù)字孿生的研究應(yīng)用與實(shí)施提供思路。