飛機(jī)設(shè)計(jì)中的數(shù)字樣機(jī)技術(shù)

鄭黨黨，張志國(guó)，劉俊堂

（1.中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，西安 710089；2.中國(guó)國(guó)際工程咨詢公司，西安 710089）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，各類計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)（CAX）在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。隨著數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用的不斷深入，產(chǎn)品設(shè)計(jì)正在由以CAX工具單點(diǎn)應(yīng)用為核心的“設(shè)計(jì)數(shù)字化”向以數(shù)字樣機(jī)（Digital Mock-Up，DMU）為核心的“數(shù)字化設(shè)計(jì)”轉(zhuǎn)變，數(shù)字樣機(jī)技術(shù)成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1]。

數(shù)字樣機(jī)技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展

1 虛擬產(chǎn)品開發(fā)與數(shù)字樣機(jī)

20世紀(jì)80年代到90年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)了數(shù)字化技術(shù)在飛機(jī)等復(fù)雜產(chǎn)品研制中的快速應(yīng)用。波音公司在波音777研制中引入虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)（Virtual Product Development，VPD），采用數(shù)字化手段研制出世界上第一架“無(wú)紙客機(jī)”，其中設(shè)計(jì)、裝配、性能評(píng)價(jià)與分析大量采用了數(shù)字化技術(shù)，使得研發(fā)周期大大縮短、研發(fā)成本顯著降低，確保了最終產(chǎn)品一次接裝成功[2]。

虛擬產(chǎn)品開發(fā)過程的核心技術(shù)是虛擬樣機(jī)技術(shù)（Virtual Prototyping Technology，VPT），即利用構(gòu)建在計(jì)算機(jī)上、具有相當(dāng)功能真實(shí)度的原型系統(tǒng)代替物理樣機(jī)，對(duì)其候選設(shè)計(jì)的各種特性進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)的一種綜合性技術(shù)。按照美國(guó)國(guó)防部建模和仿真辦公室（DMSO）的定義，虛擬樣機(jī)技術(shù)包括數(shù)字樣機(jī)、虛擬功能樣機(jī)（Functional Virtual Prototyping，F(xiàn)VP）和虛擬工廠（Virtual Factory，VF）3個(gè)方面[3]。

·數(shù)字樣機(jī)，主要用于面向制造的設(shè)計(jì)，用于快速評(píng)估組成產(chǎn)品的全部三維實(shí)體模型裝配件的形態(tài)特性和裝配性能；

·虛擬功能樣機(jī)，對(duì)應(yīng)于產(chǎn)品分析過程，用于評(píng)價(jià)已裝配系統(tǒng)整體上的功能和操作性能；

·虛擬工廠，對(duì)應(yīng)于產(chǎn)品制造過程，用于評(píng)價(jià)產(chǎn)品的制造性能。

從研制流程上看，數(shù)字樣機(jī)技術(shù)處于研制上游，是整個(gè)虛擬樣機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)和核心（圖1）。

2 數(shù)字樣機(jī)技術(shù)及其發(fā)展

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26100-2010《機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)通用要求》給出了數(shù)字樣機(jī)的定義：數(shù)字樣機(jī)是對(duì)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，這種描述不僅反映了產(chǎn)品對(duì)象的幾何屬性，還反映了產(chǎn)品對(duì)象的功能和性能[4]。

數(shù)字樣機(jī)有不同的分類方法，按照產(chǎn)品完整性分為全機(jī)樣機(jī)和子系統(tǒng)樣機(jī)；按照數(shù)字樣機(jī)研制流程或生命流程階段分為一級(jí)樣機(jī)、二級(jí)樣機(jī)和三級(jí)樣機(jī)，其中一級(jí)樣機(jī)主要面向方案設(shè)計(jì)，二級(jí)樣機(jī)主要面向詳細(xì)初步設(shè)計(jì)，三級(jí)樣機(jī)主要面向詳細(xì)設(shè)計(jì)和試制[5-6]。

相對(duì)于CAX等單點(diǎn)數(shù)字化技術(shù)，數(shù)字樣機(jī)技術(shù)從系統(tǒng)的層面考慮產(chǎn)品研制過程的數(shù)字化應(yīng)用問題，是一項(xiàng)跨學(xué)科綜合性技術(shù)，其內(nèi)涵和外延也隨著數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用的深化而不斷拓展。數(shù)字樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用可追溯到波音777研制中，波音公司采用數(shù)字化技術(shù)構(gòu)建了包含300萬(wàn)個(gè)零件的波音777數(shù)字樣機(jī)模型，用以取代制造物理樣機(jī)，并基于數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行零件裝配干涉預(yù)檢查和可達(dá)性、可維護(hù)性的仿真，使得設(shè)計(jì)工程師和制造工程師可以基于數(shù)字樣機(jī)開展并行工程，把飛機(jī)在制造、裝配和飛行過程中可能出現(xiàn)的問題盡量解決在制造前、裝配前和試飛前[7]。中航工業(yè)西安飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所率先在國(guó)內(nèi)飛機(jī)研制中采用數(shù)字樣機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了三維外形建模、三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)件和主要飛機(jī)系統(tǒng)件的預(yù)裝配，最終建立了5萬(wàn)多個(gè)零組件、43萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)件的全機(jī)數(shù)字樣機(jī)，隨后在大飛機(jī)研制中將數(shù)字樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用推向了更高的水平，實(shí)現(xiàn)了全三維并行協(xié)同研制[8]。

早期的數(shù)字樣機(jī)主要基于CAD技術(shù)描述產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的非幾何信息（設(shè)計(jì)尺寸、工藝、制造信息等），可用于設(shè)計(jì)檢查和預(yù)裝配分析，隨后發(fā)展到運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析、人機(jī)功效分析等高級(jí)應(yīng)用。近年來(lái)，隨著CAE技術(shù)應(yīng)用的不斷深入，數(shù)字樣機(jī)技術(shù)逐漸向反映產(chǎn)品功能和性能的方向發(fā)展。達(dá)索公司提出了功能數(shù)字樣機(jī)的概念（Functional Digital Mock-Up，F(xiàn)DMU），用于拓展傳統(tǒng)DMU的應(yīng)用，主要支撐需求與功能分析、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與綜合性能仿真等。歐盟聯(lián)合包括空客、德宇航在內(nèi)的50多家企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)發(fā)起CRESCENDO項(xiàng)目，進(jìn)行性能數(shù)字飛機(jī)（Behavioural Digital Aircraft，BDA）技術(shù)研究，解決飛機(jī)能量綜合優(yōu)化問題[9]。

基于數(shù)字樣機(jī)的飛機(jī)設(shè)計(jì)流程

數(shù)字樣機(jī)的核心特征是研制過程的數(shù)字化，不僅表現(xiàn)在設(shè)計(jì)模型等信息表達(dá)方式的數(shù)字化，而且從根本上改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程。

本文從飛機(jī)研制的設(shè)計(jì)過程對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程和基于數(shù)字樣機(jī)的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行對(duì)比分析，具體如圖2所示。

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程中，方案設(shè)計(jì)完成后往往通過簡(jiǎn)單的分析計(jì)算對(duì)方案進(jìn)行評(píng)估，雖然部分子系統(tǒng)或者核心部件也會(huì)進(jìn)行原理性試驗(yàn)，但是無(wú)法從整體上對(duì)方案進(jìn)行評(píng)估，隨后便轉(zhuǎn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)，最終通過物理樣機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行產(chǎn)品功能和性能的驗(yàn)證。

圖1 虛擬樣機(jī)與數(shù)字樣機(jī)的關(guān)系Fig.1 Relationship of VP and DMU

圖2 數(shù)字樣機(jī)技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)流程的改變Fig.2 Change of the design process due to the DMU technology

在基于數(shù)字樣機(jī)的設(shè)計(jì)流程中，方案設(shè)計(jì)完成后需要構(gòu)建多學(xué)科數(shù)字樣機(jī)，基于建模與仿真技術(shù)進(jìn)行方案的早期評(píng)估和綜合性驗(yàn)證，并根據(jù)仿真驗(yàn)證結(jié)果對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化，隨后再轉(zhuǎn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程是一種試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)過程，其典型特征是串行工作和后期驗(yàn)證，由于設(shè)計(jì)人員基于獨(dú)立的模型開展設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)難以共享，多專業(yè)難以有效協(xié)同；各設(shè)計(jì)階段內(nèi)部的驗(yàn)證不足，主要依賴后期的物理試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，容易造成跨階段的更改和設(shè)計(jì)迭代，最終給研制成本和周期帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)?；跀?shù)字樣機(jī)的設(shè)計(jì)流程是一種仿真驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)過程，其典型特征是并行工程和持續(xù)驗(yàn)證，由于設(shè)計(jì)人員基于統(tǒng)一的全機(jī)數(shù)字樣機(jī)開展在線設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享和成熟度控制下的多專業(yè)協(xié)同；基于數(shù)字樣機(jī)在方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)等不同階段可以進(jìn)行持續(xù)的仿真驗(yàn)證，將設(shè)計(jì)缺陷消除在各個(gè)設(shè)計(jì)階段內(nèi)部，極大減少后期的物理試驗(yàn)，消除跨階段的更改和設(shè)計(jì)迭代，從而達(dá)到飛機(jī)研制縮周期、降成本的要求。

飛機(jī)設(shè)計(jì)中的“兩類三級(jí)樣機(jī)”

數(shù)字樣機(jī)技術(shù)體系在工程實(shí)踐過程中不斷發(fā)展，為了更好地推進(jìn)數(shù)字樣機(jī)技術(shù)與飛機(jī)設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)過程的深度融合，中航工業(yè)西安飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所從功能和應(yīng)用的角度對(duì)數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行了細(xì)分，提出了飛機(jī)設(shè)計(jì)中的“兩類三級(jí)樣機(jī)”，即幾何樣機(jī)和性能樣機(jī)，如圖3所示。

幾何樣機(jī)主要以CAD技術(shù)為核心，從組成結(jié)構(gòu)的視角描述產(chǎn)品的幾何特征及其相關(guān)的制造信息，用于支撐數(shù)字化設(shè)計(jì)主流程，按照研制階段劃分為一級(jí)幾何樣機(jī)、二級(jí)幾何樣機(jī)和三級(jí)幾何樣機(jī)。

性能樣機(jī)主要以CAE技術(shù)為核心，從功能和性能的視角描述產(chǎn)品的多學(xué)科性能，用于支撐分析仿真輔流程，按照研制階段劃分為一級(jí)性能樣機(jī)、二級(jí)性能樣機(jī)和三級(jí)性能樣機(jī)。基于幾何樣機(jī)的飛機(jī)設(shè)計(jì)主流程和基于性能樣機(jī)的飛機(jī)設(shè)計(jì)輔流程相輔相成、高度交叉，共同推動(dòng)飛機(jī)設(shè)計(jì)向前推進(jìn)。

1 幾何樣機(jī)

飛機(jī)數(shù)字化幾何樣機(jī)主要通過三維CAD技術(shù)描述產(chǎn)品的幾何特征及相關(guān)的非幾何信息，如拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、幾何尺寸、空間位置及其他制造屬性等，可用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)、干涉檢查、虛擬裝配和展示等。

（1）一級(jí)幾何樣機(jī)。

一級(jí)幾何樣機(jī)面向概念設(shè)計(jì)和初步設(shè)計(jì)，主要支撐多方案的并行設(shè)計(jì)，包括總體骨架模型定義、總體布置、外形設(shè)計(jì)和初步的結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)等過程。一級(jí)幾何樣機(jī)，通過成熟度控制方案的并行設(shè)計(jì)，通過建立可配置的方案控制單元實(shí)現(xiàn)全機(jī)方案的配置管理。例如，在總體方案設(shè)計(jì)中，往往基于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境建立包含三維外形、總體和結(jié)構(gòu)布置三維模型的一級(jí)幾何樣機(jī)沉浸式系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上開展總體布置方案的可視化設(shè)計(jì)和分析驗(yàn)證。

（2）二級(jí)幾何樣機(jī)。

二級(jí)幾何樣機(jī)面向詳細(xì)初步設(shè)計(jì)，主要支撐基于唯一優(yōu)選方案的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，包括結(jié)構(gòu)骨架模型及布置設(shè)計(jì)、主要零部件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)空間占位、設(shè)計(jì)內(nèi)部的協(xié)調(diào)、設(shè)計(jì)與制造的協(xié)調(diào)以及供應(yīng)商設(shè)備安裝位置及接口的協(xié)調(diào)等。例如，在打樣設(shè)計(jì)中，可以通過輕量化的二級(jí)幾何樣機(jī)取代傳統(tǒng)的物理樣機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)性檢查，通過區(qū)域過濾和干涉檢查、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析等方法快速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備與結(jié)構(gòu)干涉等問題。

圖3 飛機(jī)設(shè)計(jì)中的兩類三級(jí)樣機(jī)Fig.3 Two types of DMU at three phases in aircraft design

（3）三級(jí)幾何樣機(jī)。

三級(jí)幾何樣機(jī)面向詳細(xì)設(shè)計(jì)及后續(xù)的工藝和生產(chǎn)試制，主要支撐面向制造的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，包括結(jié)構(gòu)零組件細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、管路聯(lián)接件設(shè)計(jì)和線束設(shè)計(jì)等。三級(jí)樣機(jī)充分考慮設(shè)計(jì)制造之間的并行，通過成熟度控制的工藝預(yù)審查和初步工藝路線定義，使得工藝設(shè)計(jì)和工裝設(shè)計(jì)過程提前介入。例如，在工程研制階段，基于三級(jí)幾何樣機(jī)開展總體、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)之間的在線關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，同時(shí)可以基于設(shè)計(jì)模塊開展工藝預(yù)審查和初步工藝路線定義。

2 性能樣機(jī)

飛機(jī)數(shù)字化性能樣機(jī)是借助相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、工具、流程和平臺(tái)建立的，能夠?qū)崿F(xiàn)各專業(yè)在飛機(jī)研制各階段進(jìn)行整機(jī)、系統(tǒng)、分系統(tǒng)的性能定義、分析、評(píng)估、優(yōu)化、交聯(lián)和展示的數(shù)字化飛機(jī)。

（1）一級(jí)性能樣機(jī)。

一級(jí)性能樣機(jī)面向概念設(shè)計(jì)和初步設(shè)計(jì)，主要支撐整機(jī)及關(guān)鍵部件（系統(tǒng)）的性能定義、分析評(píng)估、多方案權(quán)衡以及多學(xué)科優(yōu)化等，包括布置/布局優(yōu)化、CFD計(jì)算、功能及安全性分析等。例如，通過總體、結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度專業(yè)性能樣機(jī)模型和仿真流程的關(guān)聯(lián)，開展多專業(yè)協(xié)同仿真；通過飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)和ICD對(duì)不同子系統(tǒng)原理模型進(jìn)行虛擬集成，開展多系統(tǒng)架構(gòu)級(jí)綜合仿真驗(yàn)證，為子系統(tǒng)和設(shè)備技術(shù)指標(biāo)的確定和系統(tǒng)方案整體最優(yōu)提供支撐。

（2）二級(jí)性能樣機(jī)。

二級(jí)性能樣機(jī)面向詳細(xì)初步設(shè)計(jì)，主要支撐各系統(tǒng)、分系統(tǒng)（零部件）的指標(biāo)分配和性能分析，包括結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化、復(fù)合材料分析優(yōu)化、大部件有限元分析、系統(tǒng)功能級(jí)建模與仿真等。例如，基于二級(jí)性能樣機(jī)，可以對(duì)各供應(yīng)商交付的設(shè)備或子系統(tǒng)C型件模型進(jìn)行虛擬集成，通過供應(yīng)商聯(lián)合仿真及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，并逐漸用交付的真實(shí)C型件柔性替換仿真模型，通過半實(shí)物仿真的方法不斷逼近真實(shí)性能指標(biāo)。

（3）三級(jí)性能樣機(jī)。

三級(jí)性能樣機(jī)面向詳細(xì)設(shè)計(jì)及后續(xù)的工藝和生產(chǎn)試制，主要支撐各結(jié)構(gòu)件的細(xì)節(jié)分析和參數(shù)優(yōu)化、全機(jī)有限元分析、系統(tǒng)瞬態(tài)特性分析、裝配工藝仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)仿真等。例如，通過對(duì)供應(yīng)商交付的設(shè)備或子系統(tǒng)S型件模型的虛擬集成可以構(gòu)建三級(jí)性能樣機(jī)，并開展全機(jī)多系統(tǒng)性能級(jí)虛擬集成驗(yàn)證，減少和簡(jiǎn)化后期的物理試驗(yàn)。

結(jié)束語(yǔ)

技術(shù)創(chuàng)新和工程實(shí)踐相輔相成。從CAD、CAE到數(shù)字樣機(jī)技術(shù)的每一次進(jìn)步都帶來(lái)了設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)手段的進(jìn)步，產(chǎn)生了顯著的工程效益。隨著數(shù)字樣機(jī)技術(shù)與型號(hào)研制業(yè)務(wù)的深入融合，數(shù)字樣機(jī)的內(nèi)涵和外延也不斷拓展，必將推動(dòng)型號(hào)研制數(shù)字化應(yīng)用水平邁上一個(gè)新的臺(tái)階。

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