飞机设计中的数字样机技术.pdf

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1、飞机设计中的数字样机技术郑党党1，张志国2，刘俊堂1(1．中航工业第一飞机设计研究院，西安710089；2．中国国际工程咨询公司，西安710089)【摘要】从CAX工具的单点应用发展到数字样机是数字化技术的飞跃。介绍了数字样机技术的产生和发展历程，对比分析了数字样机技术对飞机设计流程的影响，给出了飞机设计中几何样机和性能样机的概念及其用途。关键词：虚拟样机；数字样机；几何样机；性能样机DOI：10．16080勺．issnl671-833x．2016．05．083郑党党西北工业大学博士研究生。现在中航工业第一飞机设计研究院工作，主

2、要从事数字化设计、分析仿真和系统工程等方面的技术研究。随着计算机技术的发展，数字化技术的应用越来越广泛，各类计算机辅助技术(CAx)在产品设计中发挥着越来越重要的作用。随着数字化技术应用的不断深入，产品设计正在由以CAx工具单点应用为核心的“设计数字化”向以数字样机(DigitalMock—Up，DMu)为核心的“数字化设计”转变，数字样机技术成为当前国内外研究的热点⋯。数字样机技术的产生与发展1虚拟产品开发与数字样机20世纪80年代到90年代，计算机技术的飞速发展推动了数字化技术在飞机等复杂产品研制中的快速应用。波音公司在波音

3、777研制中引入虚拟产品开发技术(VirtuaIProductDevelopment，VPD)，采用数字化手段研制出世界上第一架“无纸客机”，其中设计、装配、性能评价与分析大量采用了数字化技术，使得研发周期大大缩短、研发成本显著降低，确保了最终产品一次接装成功‘21。虚拟产品开发过程的核心技术是虚拟样机技术(VinualPrototypingTechnoIogy，VPT)，即利用构建在计算机上、具有相当功能真实度的原型系统代替物理样机，对其候选设计的各种特性进行测试和评价的一种综合性技术。按照美国国防部建模和仿真办公室(DMsO

4、)的定义，虚拟样机技术包括数字样机、虚拟功能样机(FunctionalVirtualPrototyping，FVP)和虚拟工厂(VirtualFactorv，VF)3个方面pJ。·数字样机，主要用于面向制造的设计，用于快速评估组成产品的全部三维实体模型装配件的形态特性和装配性能；·虚拟功能样机，对应于产品分析过程，用于评价已装配系统整体上的功能和操作性能；·虚拟工厂，对应于产品制造过程，用于评价产品的制造性能。从研制流程上看，数字样机技术处于研制上游，是整个虚拟样机技术的基础和核心(图1)。2数字样机技术及其发展国家标准GB厂r

5、26100—2010《机械产品数字样机通用要求》给出了数字样机的定义：数字样机是对产品整机或具有独立功能的子系统的数字化描述，这种描述不仅反映了产品对象的几何属性，还反映了产品对象的功能和性能[4】。数字样机有不同的分类方法，按照产品完整性分为全机样机和子系统样机；按照数字样机研制流程或生命流程阶段分为一级样机、二级样机和三级样机，其中一级样机主要面向方案设计，二级样机主要面向详细2016年第5期·航空制造技术83初步设计，三级样机主要面向详细设题吲。计和试制p61。相对于CAX等单点数字化技术，数字样机技术从系统的层面考虑产品

6、研制过程的数字化应用问题，是一项跨学科综合性技术，其内涵和外延也随着数字化技术应用的深化而不断拓展。数字样机技术的应用可追溯到波音777研制中，波音公司采用数字化技术构建了包含300万个零件的波音777数字样机模型，用以取代制造物理样机，并基于数字样机进行零件装配干涉预检查和可达性、可维护性的仿真，使得设计工程师和制造工程师可以基于数字样机开展并行工程，把飞机在制造、装配和飞行过程中可能出现的问题尽量解决在制造前、装配前和试飞前【．”。中航工业西安飞机设计研究所率先在国内飞机研制中采用数字样机技术，实现了三维外形建模、三维结构设

7、计、结构件和主要飞机系统件的预装配，最终建立了5万多个零组件、43万标准件的全机数字样机，随后在大飞机研制中将数字样机技术应用推向了更高的水平，实现了全三维并行协同研制隅】。早期的数字样机主要基于CAD技术描述产品的几何结构及其相关的非几何信息(设计尺寸、工艺、制造信息等)，可用于设计检查和预装配分析，随后发展到运动机构分析、人机功效分析等高级应用。近年来，随着CAE技术应用的不断深人，数字样机技术逐渐向反映产品功能和性能的方向发展。达索公司提出了功能数字样机的概念(FunctionalDigitalMock-Up，FDMU)，

8、用于拓展传统DMu的应用，主要支撑需求与功能分析、系统架构设计与综合性能仿真等。欧盟联合包括空客、德宇航在内的50多家企业和研发机构发起CRESCEND0项目，进行性能数字飞机(BehaviouralDigitalAircraft，BDA)技术研究，解决飞机能量