工業(yè)4.0對(duì)航空設(shè)計(jì)及維修業(yè)的影響

Ben Hargreaves

物質(zhì)世界和數(shù)字世界的深度融合，在產(chǎn)生大量信息的同時(shí)也為制造業(yè)、維修業(yè)開(kāi)辟了新局面，將對(duì)飛機(jī)全壽命周期產(chǎn)生重要的影響。

兩百多年前，蒸汽機(jī)的轟鳴拉開(kāi)了第一次工業(yè)革命的大幕，工業(yè)化發(fā)展勢(shì)不可擋，影響力覆蓋各個(gè)行業(yè)、延伸至世界的每個(gè)角落。百年來(lái)，每一次歷史性變革都伴隨著科技的劃時(shí)代突破，工業(yè)由傳統(tǒng)機(jī)械化走向電氣化再走向自動(dòng)化。那么下一步，工業(yè)發(fā)展將走向何方？2013年，德國(guó)率先提出了“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略。

“工業(yè)4.0”現(xiàn)已成為高端制造業(yè)的風(fēng)向標(biāo)。其中，航空工業(yè)是邁人“工業(yè)4.0”即“第四代工業(yè)革命”的過(guò)程中的早期實(shí)踐者。羅羅公司認(rèn)為，與過(guò)去的工業(yè)革命由單一核心技術(shù)引導(dǎo)所不同，“工業(yè)4.0”雖然包含了很多新一代的制造工藝，但是這些技術(shù)本身并不是革命性的，而是它所處的整個(gè)制造業(yè)生態(tài)體系的變革。數(shù)字化帶來(lái)的智能制造是實(shí)現(xiàn)體系革命的重要載體。

據(jù)凱捷咨詢(xún)公司（ Capgemini）研究指出，截至2017年3月，62%的航空和國(guó)防類(lèi)企業(yè)從事智能制造項(xiàng)目。這一比例使航空工業(yè)在數(shù)字化工廠(chǎng)運(yùn)用方面不僅領(lǐng)先于汽車(chē)行業(yè)（50%），還領(lǐng)先于能源及公共事業(yè)（42%）、生活消費(fèi)品（40%）、生命科學(xué)和醫(yī)藥（37%）等行業(yè)。

工程模擬和三維設(shè)計(jì)軟件公司ANSYS表示，在未來(lái)幾年內(nèi)，數(shù)字化工具的使用會(huì)在航空制造和維修領(lǐng)域有所增長(zhǎng)。因?yàn)樵谖磥?lái)20年內(nèi)，將會(huì)有約40000架新飛機(jī)交付給航空公司，為此，飛機(jī)制造商需要提高生產(chǎn)效率。但由于單架飛機(jī)構(gòu)造相當(dāng)復(fù)雜，所需零部件數(shù)量極其眾多。因此，制造業(yè)必須找到制造飛機(jī)的新方法，而“工業(yè)4.0”正是解決這一問(wèn)題的有效方法。

當(dāng)然，各大OEM廠(chǎng)商早在十年前就在利用數(shù)字化技術(shù)制造新飛機(jī)。以空客A350 XWB飛機(jī)為例，空客工程師采用達(dá)索系統(tǒng)3D Experience平臺(tái)，使A350XWB設(shè)計(jì)制造過(guò)程中的4000人的工作相關(guān)聯(lián)，而且其中85%的人處于供應(yīng)鏈中。該技術(shù)也使空客公司的飛機(jī)制造模式實(shí)現(xiàn)了較大的飛躍。在A350 XWB之前的項(xiàng)目中，盡管每個(gè)生產(chǎn)站點(diǎn)也都配有數(shù)字樣機(jī)，但由于沒(méi)有配備持續(xù)的通信，使得設(shè)計(jì)時(shí)間有所延長(zhǎng)，而且設(shè)計(jì)過(guò)程中由于溝通不暢會(huì)出現(xiàn)一些錯(cuò)誤，最終導(dǎo)致制造成本增加。

而在設(shè)計(jì)A350 XWB飛機(jī)時(shí)，空客主要采用了以下技術(shù)和工具：一是在A350XWB飛機(jī)上安裝達(dá)索系統(tǒng)公司的產(chǎn)品生命周期管理（PLM）解決方案Enovia，該方案是3D Experience平臺(tái)數(shù)字化設(shè)計(jì)和模擬功能的核心，可作為A350 XWB設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的中央存儲(chǔ)器和輸送裝置，能使工程師更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。二是采用了達(dá)索系統(tǒng)公司的CAD虛擬設(shè)計(jì)工具CATIA，以解決該機(jī)設(shè)計(jì)所要求的超大型組件問(wèn)題。例如，A350 XWB飛機(jī)機(jī)翼可能由7TB級(jí)數(shù)據(jù)組成。三是采用了達(dá)索系統(tǒng)公司的模擬軟件應(yīng)用，如有限元分析等仿真軟件，以便設(shè)計(jì)師了解航空零部件的材料和應(yīng)力問(wèn)題。

此外，達(dá)索系統(tǒng)Enovia協(xié)同技術(shù)還可通過(guò)耳機(jī)或沉浸式投影機(jī)系統(tǒng)Cave技術(shù)與3D虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）系統(tǒng)共同作業(yè)，使空客的工程師在A350 XWB飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中就對(duì)機(jī)內(nèi)零件實(shí)現(xiàn)了可視化，使飛機(jī)系統(tǒng)組裝可視化。在裝配前，除了有助于設(shè)計(jì)工程師開(kāi)展設(shè)計(jì)驗(yàn)證，還能夠使從事飛機(jī)零件設(shè)計(jì)的所有工程師獲取到傳輸至VR兼容模塊的三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

當(dāng)今，物理世界和數(shù)字世界正在進(jìn)行深度融合，在產(chǎn)生大量信息的同時(shí)也為產(chǎn)品的制造和維修開(kāi)辟了新模式。就數(shù)字工具而言，ANSYS仿真軟件已在飛機(jī)制造和汽車(chē)制造領(lǐng)域運(yùn)用多年的主要原因是飛機(jī)和汽車(chē)都是復(fù)雜性與安全性要求并具。而且當(dāng)前ANSYS仿真軟件還能夠?qū)υ霾闹圃旒男螤钸M(jìn)行優(yōu)化，在保持零件相同性能和安全級(jí)別的同時(shí)達(dá)到減輕零件重量、減少材料使用量和降低零件復(fù)雜程度的目標(biāo)。

目前，ANSYS軟件公司將“數(shù)字孿生”概念用于航空航天業(yè)一級(jí)客戶(hù)和OEM廠(chǎng)商，并開(kāi)展了流體力學(xué)、嵌入式軟件仿真和結(jié)構(gòu)仿真等技術(shù)應(yīng)用，表明了工業(yè)4.0對(duì)航空業(yè)的影響顯著增強(qiáng)。此外，“數(shù)字孿生”還能夠作為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等實(shí)體結(jié)構(gòu)的虛擬模型，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。因此，未來(lái)航空零部件中會(huì)包含更多的傳感器，它們通過(guò)采用高速網(wǎng)絡(luò)連接將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給工程師。

現(xiàn)代飛機(jī)能夠產(chǎn)生萬(wàn)億字節(jié)的數(shù)據(jù)。一旦這些數(shù)據(jù)被收集，就能創(chuàng)建出一套詳細(xì)的虛擬數(shù)字模型，并可以對(duì)部件或系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。顯然，這將為飛機(jī)維修業(yè)帶來(lái)機(jī)遇。以飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其維修數(shù)據(jù)與發(fā)動(dòng)機(jī)歷史工作情況相關(guān)，通過(guò)“數(shù)字孿生”高保真模擬平臺(tái)可反映發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部工作情況，進(jìn)而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行分析，且能夠以此改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的維修管理模式，如能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)具備更長(zhǎng)的壽命周期、使發(fā)動(dòng)機(jī)的停場(chǎng)時(shí)間最短。

“數(shù)字孿生”也有助于工程師和維修技術(shù)人員對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理進(jìn)行更深入的了解。由于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）可為成千上萬(wàn)的物理航空零件提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)連接，這樣虛擬的物理原型就成為了飛機(jī)實(shí)際飛行的實(shí)時(shí)代表，為工程師了解飛機(jī)工作原理、檢測(cè)飛機(jī)故障情況及開(kāi)展故障預(yù)防提供了一個(gè)巨大的機(jī)遇。但“數(shù)字孿生”還需要采用新的技術(shù)如設(shè)計(jì)和生產(chǎn)出具備耐高溫特性的新型傳感器，以滿(mǎn)足航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境要求。同時(shí)，還需要研發(fā)出具備高度專(zhuān)業(yè)化和安全性的軟件代碼，以保證整個(gè)虛擬原型及傳輸網(wǎng)絡(luò)的安全。目前，作為傳統(tǒng)飛機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的軟件供應(yīng)商，ANSYS公司正在利用PTC的Thingworx、GE的Predix等物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)以及與各類(lèi)OEM廠(chǎng)商合作，以對(duì)ANSYS軟件在工業(yè)機(jī)械數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)管理工作流程中所扮演的角色進(jìn)行驗(yàn)證。

此外，在航空制造業(yè)，工業(yè)4.0可能還意味著能夠?qū)γ總€(gè)零件進(jìn)行準(zhǔn)確地跟蹤，并采用數(shù)據(jù)持續(xù)優(yōu)化生產(chǎn)線(xiàn)，使庫(kù)存管理更高效。