民用飛機數(shù)字樣機建模與仿真技術(shù)初步研究

陳 裕 /

(上海飛機設(shè)計研究院，上海201210)

0 引言

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

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

同時，基于數(shù)字樣機，從方案論證到詳細設(shè)計需完成：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)；人機工效設(shè)計與檢查；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)計可以方便實現(xiàn)，研制過程可以并行?；跀?shù)字樣機的飛機研制流程與傳統(tǒng)物理樣機的研制流程相比較，其關(guān)系如圖1所示。

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

1 數(shù)字樣機的建模與仿真定義

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

狹義上的數(shù)字樣機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)系進行運動仿真，如活動部件和機構(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、可達性的仿真，以確定飛機的維修特性是否滿足需求。廣義上的數(shù)字樣機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，對全機或部件在與飛機使用相關(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、通過人在回路進行操作，對飛機或系統(tǒng)的綜合特性進行仿真[3]。

由此，數(shù)字化建模將飛機產(chǎn)品研制過程中的飛機特性與使用場景全部通過計算機仿真實施，可以簡化飛機設(shè)計程序，提升飛機設(shè)計協(xié)調(diào)效率，縮短了研制周期，降低研制成本，提高飛機設(shè)計精度。

2 數(shù)字樣機建模與仿真的業(yè)務(wù)流程

對于民用飛機的研制而言，數(shù)字樣機建模與仿真的工作涵蓋在從概念設(shè)計到試驗、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)字樣機業(yè)務(wù)需求；

2)項目規(guī)劃：制定數(shù)字樣機研制的目標與規(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)字樣機建模要求、數(shù)據(jù)格式要求、樣機協(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)計輸入，開展建模；

6)模型校核：檢查數(shù)字樣機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實物的特性；

7)仿真：對數(shù)字樣機進行檢查、協(xié)調(diào)、分析、試驗驗證；

8)分析與解釋：對仿真結(jié)果進行評價。

3 數(shù)字樣機建模與仿真的難點與關(guān)鍵技術(shù)

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

3.1 數(shù)字化建模技術(shù)

數(shù)字樣機最早伴隨CAD技術(shù)的產(chǎn)生而提出，最初發(fā)展階段的數(shù)字樣機建模技術(shù)，需設(shè)計人員通過使用專業(yè)三維數(shù)模建模軟件對零部件進行精確地幾何建模，生成飛機各種形狀零部件的三維模型實體及曲面，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)計的信息表述。因此，在實際設(shè)計生產(chǎn)過程中，設(shè)計人員不僅要進行三維建模，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，難以保證數(shù)據(jù)的一致性[1]。

2003年，美國機械工程師協(xié)會(American Society of Mechanical Engineers，簡稱ASME)發(fā)布了關(guān)于三維模型標注信息內(nèi)容的標準(ASME Y14.41)[4]，波音公司在波音787飛機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)，使得整個項目周期縮短約30%。

MBD 技術(shù)在過去三維設(shè)計、二維表達方法的基礎(chǔ)上，將飛機產(chǎn)品特有的所有幾何信息和過去不包含在飛機產(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，真正達到飛機研制的協(xié)同設(shè)計、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)字樣機建模/仿真數(shù)據(jù)管理平臺構(gòu)建技術(shù)

對于民用飛機數(shù)字樣機來說，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，管理在飛機各個設(shè)計階段的數(shù)字化三維模型和其它數(shù)據(jù)，對全機、部件和各個系統(tǒng)，都應(yīng)建立詳細的產(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、工藝特性等進行全面的管理[1]。同時，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)計工作的并行性、協(xié)同化進行支持。

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)字化資源進行充分的驗證。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)字樣機仿真的可視化技術(shù)

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

為了更真實地模擬和體驗飛機的典型環(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具有與物理樣機一樣的真實感，使其與人的交互與物理樣機的效果接近，成為物理樣機的合格替代者。沉浸式虛擬樣機平臺的實施，需要的經(jīng)費較多，重點需要關(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)品和標準，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)字樣機的建立，對于民機研制過程可以應(yīng)用在機身整體、各個分系統(tǒng)、駕駛艙或客艙內(nèi)部立體化人機工程分析與展示，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、方案驗證及協(xié)調(diào)平臺，可以有效提升產(chǎn)品設(shè)計水平。

圖3 VR技術(shù)在數(shù)字樣機仿真中的應(yīng)用

3.4 飛機多領(lǐng)域系統(tǒng)建模與仿真集成

伴隨CFD計算、CAE分析、系統(tǒng)仿真和數(shù)值計算等技術(shù)的不斷發(fā)展及其與數(shù)字樣機可視化技術(shù)的深度融合，可以基于計算機模型進行產(chǎn)品機、電、熱、磁、聲等多學(xué)科性能的建模、仿真、分析和展示，數(shù)字樣機范圍從早期狹義的幾何樣機發(fā)展到性能樣機階段。對于飛機的性能仿真，如飛機的氣動、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)的接口標準或開發(fā)相應(yīng)的接口工具來實現(xiàn)。另外，對于飛機系統(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)進行系統(tǒng)綜合性能的優(yōu)化[6]。

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

4 結(jié)論

目前，數(shù)字樣機建模與仿真技術(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)字樣機在飛機產(chǎn)品全生命周期中應(yīng)用的范圍也越來越廣，有效縮短了大飛機的設(shè)計制造進程。同時對于數(shù)字樣機仿真技術(shù)的集成、虛擬環(huán)境的構(gòu)建等方面還需繼續(xù)開展研究并與飛機研制相互促進，進一步提升數(shù)字樣機的仿真精度。