飞机数字化设计已在国内某些飞机的局部设计中开始应用 ,但飞机全机采用三维全数字设计则尚无先例。中国航空工业第一集团公司所属的西安飞机设计研究所用 1 年多的时间 ,解决了飞机全机三维数字化设计的重大技术关键 ,成功地攻克了飞机全机三维外形建模的难关 ,建立了三维外形数模 ,实现了结构、管路、系统的三维设计、三维协调、三维预装配生成全机数字样机的历史性突破。
我国首架飞机数字样机的问世 ,标志着西安飞机设计研究所的设计水平已基本进入数字化设计阶段 ,该成果为“十五”期间的以“全机、全过程、全数字化”为技术特征的飞机设计应用 ,实现飞机研制生产从以模拟量传递为主转变到以数字量传递为主 ,从采用物理样机协调为主转变到采用数字样机协调为主作了一定的技术准备 ;为我国航空行业由传统的飞机研制模式向数字化设计制造的现代化研制模式的转变奠定了基础。
1 实现三维外形建模和全机数字化样机设计
多年来 ,由于坚持数字化技术的基础设施建设和应用技术研究 ,全所的数字化设计环境有了很大改善 ,数字化技术的应用水平也有很大提高。1999 年 ,在某型飞机研制正式批准立项后 ,经过认真细致的调研 ,全面分析了国内外数字化技术的应用状况和水平 ,最终决策在型号研制中全面采用三维数字化飞机设计技术。
通过 1 年的艰苦攻关 ,我所率先在国内的飞机研制中采用并行工程和无纸设计技术 ,实现了三维外形建模、三维结构设计、结构件和主要飞机系统件的预装配 ,最终建成了 5 万多个零组件、43 万多个标准件、可全面应用于生产的全机数字样机。经过制造的全面检验 ,证明采用数字样机可缩短 60 %的设计周期 ,提高了设计质量 ,减少了 40 %的设计反复。原设计周期为2 年 6 个月 ,现仅用了 1 年的时间就全面完成了发图任务。
全数字化设计的飞机首飞成功后 ,经统计 ,原有同等规模的飞机在制造过程中约有工程更改单 7 000 张左右 ,在采用了数字化设计手段后 ,工程更改单减少到了 1 082 张。结构件和机加件的生产 ,由于在数字样机阶段就作了全面协调 ,在生产中都是一次制造成功 ,装配到位 ,没有出现大的返工。
在数字化设计的工作过程中 ,除了持续投资 ,坚持计算机硬软件建设 ,不断改善数字化工作环境外 ,所领导十分重视计算机技术在设计中的应用 ,积极参与各项预先研究工作 ,抓紧科技人员的技术培训 ,建立了高标准的信息技术体系 ,为全机的数字化设计创造了条件。(1) 加强领导 ,健全组织 ,使信息化工作有组织、有序地健康发展。1994 年成立了以总设计师为首的 CAD技术管理委员会 ,统管全所的 CAD 技术应用。1997年 ,为了加强对全所计算机工作的领导 ,保证航空信息工程、国家 863 CIMS 应用示范工程及其他全所性跨专业计算机应用项目的顺利实施 ,加快全所的信息化技术建设 ,成立了所计算机应用工程领导小组。2000 年 ,在原计算机应用工程领导小组的基础上成立了“所信息化工作领导小组”和办公室。各研究室设有负责本专业 CAD 技术应用的专业组 ,计算机室集中精力负责全所计算机应用的技术支持、培训和咨询工作。(2) 信息技术培训。到 2000 年底 ,所内培训、国内委托培训和送国外培训的各类各层次 CAD、CAE 应用技术人员有 1 200 多人 ,占现有工程技术人员的 80 %以上。(3) 结合型号设计任务积极开展计算机应用课题研究。自“六五”以来 ,我所作为主要参加单位承担了总公司组织的多项全行业大型 CAD 应用课题 (如7760CADΠCAMM 课题、CIEM 工程、无纸设计课题、航空信息工程等) ,参加了国家科委的“CAD 应用示范工程”,其中 ,以我所为主任设计师单位 ,联合 20 多家高校、科研院所和工厂完成的 7760 计算机辅助飞机设计制造管理系统在 1986 年被评为全国十大科技成果之首。
(4) 实施航空 CIMS 工程。从 1996 年开始 ,我所根据飞机研制需要 ,作为主要参加单位与其他飞机主机厂、所合作 ,参加了国家 863 自动化领域的航空 CIMS工程课题。该课题的最终目标是建成一个适用于多厂、所飞机型号研制动态联盟的、异地无纸设计制造的现代化航空集成制造系统 (Contemporary Aviation Inte2grated Manufacturing System) ,实现飞机研制从设计、制造到使用维护全生命周期的信息集成和过程集成。这项工程重点突破了三维数字化产品定义、虚拟装配、产品数据管理、并行工程等 4 个方面的技术在飞机研制中的应用 ,并探讨建立新型号飞机多厂所联合研制系统相应的运行机制和管理制度 ,解决型号研制中信息集成和过程集成的关键 ,使我国飞机研制的水平和能力有较大的提高。(5) 以国际标准为模板 ,建立科学的信息技术应用体系。首先是学习贯彻国标、国军标和航标中有关计算机应用的规范、标准 ,进而结合飞机设计所的特点建立数字化设计的规范体系。坚持编写、补充、完善所内有关计算机和 CAD 技术应用的规章制度和技术标准 ,组织飞机设计专业人员学习软件工程理论。通过这些措施 ,规范了全所的计算机应用 ,大大提高了对数字化技术的应用开发水平。我所编制的数字化建模规范、虚拟装配规范、数据传输管理规定、数据发放管理规定、存储管理规定、数据集命名规定、数字样机管理规定、三维模型更改管理规定等文件为航空工业数字化设计、制造、管理的标准规范的制定工作作了准备 ,为全机数字样机的完成打下了基础根据飞机型号设计需求 ,要求建立实施异地无纸航空制造技术设计制造的现代化航空集成制造系统 ,以实现飞机研制从设计、制造到使用维护全生命周期的信息集成和过程集成。通过该系统的实践和在我所军、民机(飞豹飞机 ,新支线飞机) 型号应用 ,提高了飞机研制的整体水平。(1) 初步建立基于中国航空工业第一集团公司专用网和我所局域网的设计制造集成系统 ,为最终建立航空现代集成制造系统奠定基础。(2) 逐步建立飞机数字化产品定义 ,数字化预装配设计的标准、规范体系。(3) 应用 CATIA V5 软件实现从飞机外形数模定义到飞机结构 100 %的数字化产品定义和 100 %的数字化预装配。(以 CATIA V5 版本软件为基础进行全机数字样机设计的能力也得到了 BOEING、AIRBUS、EADS、DASSAULTAVIATION、EUROCOPTER 等国际主要飞机工业公司的认可和称赞。)(4) 应用虚拟产品管理软件实施贯穿飞机设计周期的产品数据管理 ,实现分布式、异地飞机产品的数字化构型控制 ,数字化产品定义的审批、发放和更改流程控制。(5) 从飞机结构件三维设计、二维出图到系统三维设计、二维出图等 ,实现全机结构和主要飞机系统的数字化样机设计 ;实现飞机研制全过程、多专业的数据共享、装配与协调、分析与优化 ;飞机设计阶段的并行设计 ,提供多专业、综合、优化设计、共享数据的计算机应用环境。(6) 为了加快研制和生产进度 ,实施设计制造的并行工程 ,对新设计的结构件实现了三维数字化传递与应用 ,共传递给工厂 9 大项结构新设计的组合件三维模型 ,工厂利用此模型实现了所有新设计结构工艺装备的三维数字化定义与制造 ,大大缩短了生产试制周期 ,为保证研制节点起到了决定性的作用。我国从“六五”“、七五”开始到现在 ,已经走过了信息技术研究、信息技术应用软件开发和信息技术推广应用几个阶段 ,我所在军民用飞机研制中 CAD 技术的应用也遵从这个规律。特别在飞豹飞机的研制中 ,主要是通过课题研究推动 CAD 技术应用 ,注重技术的先进性 ,注重采用国内外先进技术为型号研制服务。从发展趋势看 ,目前世界航空科学技术正在出现一些重大突破。新一代航空器都采用一体化、信息化、综合化和智能化设计 , 现代集成制造系统将是新时代航空工业技术的发展方向。美国波音 777 飞机是民用飞机研制首次使用并行工程和无纸设计技术的典范 ,大大缩短了研制周期 ,大幅度降低了生产成本 ,其产品质量也是传统方式难以达到的 ,被认为是“最先进、最舒适和维护使用性能最好”的飞机。尽管我们在信息技术应用 ,特别在无纸设计飞机技术的掌握上有了相当基础 ,达到了一定的水平 ,也取得了可喜的成绩 ,但与西方工业发达国家相比 ,我国航空制造业在数字化技术应用上的差距还很大 ,应当引起我们的高度重视。当前 ,西安飞机设计研究所正在努力全面打通飞机数字化设计、制造、管理的瓶颈 ,现已在各个型号工程中全面应用虚拟了产品管理技术 ,并将网络安全、系统管理、数据管理和备份作为数字化设计的核心技术进行全面提升。相信在数年内 ,经过不懈的努力 ,我国的飞机数字化设计、制造、管理技术将有一个大的进步。(责编 文 洵)
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