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虛擬仿真 航空發動機自主研制的加速器

时间:2017-11-04     【转载】   来自:中國航空新聞網   阅读

核心提示: 過去五年,中國的現代制造業發生了翻天覆地的變化,中國制造的變化和創新速度讓世界驚奇,其中很重要的一個原因就是中國制造搭上了第四次工業革命的快車。

                  


過去五年,中國的現代制造業發生了翻天覆地的變化,中國制造的變化和創新速度讓世界驚奇,其中很重要的一個原因就是中國制造搭上了第四次工業革命的快車。中國航空發動機產業能否緊跟時代步伐,中國航發能否在盡可能短的時間內完成肩負的歷史重任,虛擬仿真、智能制造與傳統制造模式的融合運用是重要的支撐之一。我們需要充分的運用信息化手段和智能制造理念來變革我們的制造模式,變革我們的設計思維,變革我們的保障方式,虛擬制造(Virtual |Manufacturing,VM)作為變革發動機制造模式的重要技術方法之一,也是促進航空發動機研制前進的加速器之一。

虛擬仿真讓設計優化更便捷

航空型號產品的自主研制必然要經過論證、設計、仿真(虛擬試驗)、樣機(裝配檢測與物理試驗)、定型、批產、維護等這些階段。一方面,用戶需求在漫長的研制過程中存在變數,另一方面,產品設計中的許多裝配、性能問題往往要到樣機制作才能暴露出來。傳統模式下,人們被迫通過物理樣機的反復試制來優化設計方案,每一次“反復”消耗的都是“真材實料”,不僅面臨時間和成本的嚴峻考驗,還給設計方案的最優化帶來了重重阻力。

虛擬仿真旨在提供一個強有力的數字建模與仿真環境,使產品的規劃、設計、制造、裝配、試驗、維護等均可在計算機上實現,為產品全生命周期的各個階段提供支持,幫助企業在設計階段就對產品制造的全過程進行虛擬集成,預測、檢測、評價產品性能和制造可行性,達到產品開發周期與成本最小化、產品設計質量最優化以及生產效率最大化。虛擬現實技術的發展與融入為虛擬制造補充完善了多目標多學科物理仿真、人機工程學分析、沉浸式交互操作等關鍵技術,物聯網、云計算、高性能計算機的發展為虛擬樣機可行性、可信度分析驗證和異地協同提供了有力支撐。

例如,波音777整機設計、部件測試、整機裝配以及各種適航標準環境下的試飛均得益于虛擬制造,其開發周期從過去的8年縮短為5年,波音787進一步實現了全球協同虛擬制造。更重要的是,虛擬制造極大地促進了波音公司飛機設計能力的提升——虛擬樣機替代物理樣機,使設計方案修改更加便捷、靈活;在產品研制過程中,虛擬樣機實現了整機規模的評審、跨系統干涉檢查,改變了傳統的交流模式,提高了不同學科、不同部門、不同供應商之間的協同設計、評審的效率;變“后實物驗證”為“先虛擬體驗”,避免將設計缺陷帶入后續研制階段,大大減少反復更改活動,使設計一次成功成為現實,有效地降低了成本、縮短了研制周期。

航空發動機研制加速關鍵應用

相對于飛機機體制造而言,航空發動機的結構和性能要求更加復雜,其研制過程中裝配難度更大,但是虛擬制造同樣為航空發動機的設計優化、研制提速提供了諸多可能性。

虛擬樣機可以直觀地呈現設計方案,不僅能顯示產品的外形,還能顯示產品的內部結構、裝配和維修過程、使用方法、工作過程、工作性能等,允許多次評測,進行快速便捷地修改。

虛擬制造能夠實現加工工藝仿真,例如,針對金屬材料熱成形過程的技術難點(高溫、動態、瞬時、難以控制質量),從材料成形理論分析入手,通過對材料成形過程進行動態仿真,使得基礎理論能直接定量地指導金屬材料熱成形過程,并預測不同條件下成形后材料的組織、性能和質量以及加工過程中可能出現的加工缺陷等,進而實現熱成形件的優化設計,最大限度地發揮材料的性能潛力。中國航發現已實現了航空發動機關鍵部件鑄造過程的虛擬仿真與展示,對產品設計的合理性、可加工性、加工方法進行仿真、分析與處理。

航空發動機裝配是發動機制造過程中的核心環節。機械產品裝配是設計人員極易出現錯誤的地方。如果缺陷到產品最后裝配時才發現,極可能導致零件的報廢和工期延誤,造成巨大的經濟損失甚至企業信譽損失。虛擬裝配技術可以在設計階段就對工廠和車間布局及工藝工裝進行驗證,設計者可以置身虛擬環境中模擬零件裝配,并檢查可能的干涉等問題,確保零件本身以及裝配環境布局的正確性。

隨著虛擬現實技術與高性能計算機及算法的發展,虛擬環境中的建模技術趨于數字實體化,將模型置于虛擬環境中控制、仿真和分析,可以方便、直觀地進行工作性能檢查。在產品設計階段就能展示出產品的行為,動態表現產品的性能,包括運動構件工作時的運動協調關系、運動范圍設計、可能的運動干涉檢查、產品動力學性能、強度、剛度等。

航空發動機產品的研制需要多個廠所共同協作才能完成,航空發動機設計過程是一個多層次動態多變耦合協同設計/仿真過程,既有航空發動機系統總體設計流程,又有各子系統多學科協同設計流程,還耦合著各學科內部仿真分析流程。虛擬制造系統可以提供協同仿真與優化環境,將異地的、各具優勢的研究開發力量,通過網絡和視像系統聯系起來,進行異地開發,能更好地服務于 |IPT |團隊,在設計、零部件生產、裝配以至維護這一全過程中各個環節實現協同仿真。

虛擬仿真的未來啟示

在近期的國際航空發動機論壇上,通用電氣、羅羅、普惠等航空發動機巨頭以及伊薩、西門子等軟件服務商均將虛擬現實、“數字雙胞胎”等虛擬制造相關技術列為未來創新發展研究重點。當前,我國虛擬制造應用的重點研究方向是基于我國國情進行產品的三維虛擬設計、加工過程仿真和產品裝配仿真,主要是研究如何生成可信度高的產品虛擬樣機,在產品設計階段能夠以較高的置信度預測所設計產品的最終性能和可制造性。

虛擬制造是研究與應用緊密結合的產物,還有許多重大技術難題需要人們繼續努力去解決。更深入的建模技術研究與材料性能研究、多學科虛擬性能仿真、多領域優化設計、虛擬制造與虛擬性能的耦合、一體化工程虛擬樣機綜合仿真、大數據、數據挖掘、高性能計算機等在仿真分析領域的應用均是虛擬制造未來的發展方向。縱觀工業領域各種技術的發展與應用,大都有一個從非標準化到標準化的發展過程,這一過程同樣適用于虛擬制造。如何使地理上分布于世界各地的設計、工藝以及制造人員參與到產品設計及驗證過程中來,建立基于Internet的協同虛擬環境是分布式發展的必然趨勢。

航空發動機的自主研制必須遵循產品研制的客觀規律,每一個階段都需要一步一個腳印走下去,我們要實現追趕,必須盡可能地減少研制過程的“反復”,追求設計能力的提升,追求一次性把事情做對,堅持創新驅動發展戰略的同時,必須要保持一種大膽開放、合作共贏的姿態,在顛覆性新技術上勇往直前。


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