虛擬制造技術在飛行器設計中的運用探討

摘 要：隨著航空航天事業的快速發展，飛行器制造行業競爭愈演愈烈，各種各樣的新型技術不斷被引進到飛行器設計制造當中，為飛行器設計做出了巨大貢獻，極大地推動了航空事業的進一步發展。鑒于此，文章對當前應用最為廣泛的新型技術——虛擬制造技術，技術群及主體功能進行了相應介紹，對其在飛行器設計中的具體運用進行了一定探析。

關鍵詞：虛擬制造技術；仿真建模；飛行器設計；運用

前言

面對新形勢下給航空行業、飛行器制造企業自身所帶來的諸多新挑戰，為了贏得競爭，迎合時代發展，企業不斷嘗試研發新的產品，改造生產技術。在這一過程中，不可避免的會遇到各種各樣的問題，在一定程度上造成人力、物力和財力等資源的不必要浪費。將虛擬制造技術應用到飛行器設計當中，將能夠有效解決上述問題，對提高飛行器設計水準，提高飛行器生產質量具有重要價值。

1 虛擬制造技術

1.1 虛擬制造技術群

隨著虛擬技術的高速發展，其開始向更多的領域滲透、延伸拓展，開始得到越來越廣泛的應用，并衍生出了許多新型虛擬技術，如虛擬制造技術、虛擬裝配技術、虛擬可視化技術等等。其中，虛擬制造技術作為一種新型仿真建模技術，在飛行器設計中有著良好的應用，它的軟件設計部分相當復雜，且對虛擬現實技術有著較強的依賴性。虛擬制造技術的技術群主要包括控制技術群、仿真技術群和建模技術群三類，控制技術群主要負責對仿真與建模過程進行組織和管理，提供仿真與建模所需技術方法[1]。同時，其還能夠對產品設計成本進行估算，對仿真信息與流程進行監控。仿真技術群以虛擬技術核心部分為基礎，對產品的生產規劃、制作過程及產品性能進行仿真處理，并為產品生產制造提供相應技術條件。建模技術群按照層級劃分可以分為產品級、車間級和企業級三個級別，產品級建模主要是對產品及其生產工藝進行建模；車間級建模主要用于對設備、車間布局、車間監控和調度進行模型建立；企業級建模主要包括成本分析模型、生產決策模型、風險評估模型、市場預測模型和效益評估模型等多個部分。

1.2 虛擬制造技術的主體功能

虛擬制造技術的功能多種多樣，它不但可以對產品的性能、可制造性、可裝配性進行數字化分析，而且能夠將制造信息融入到產品設計與工藝之中，通過計算機的相應處理后，模擬出多種不同產品及制造方案，生成產品制造模型，從而便于生產人員對產品的進一步了解，優化產品設計方案與制造方案。作為一種仿真建模技術，虛擬制造技術的主體功能自然是仿真和建模。它通過對產品生產過程的仿真處理，對產品工藝、風險效益、市場預測、設備、調度等的建模，可以實現對產品加工過程的有效評估，對風險和效益的有效評估，從而改進產品加工方式，提高生產效率[2]。除此之外，這一主體功能還有助于生產人員對產品各個方面的更為詳盡全面的了解，如工藝流程、性能、可制造性等，有助于飛行器生產制造方案的優化處理。虛擬制造技術主體功能的實現主要依賴于兩個關鍵技術，即虛擬現實技術和嵌入式仿真技術，這兩種技術一個主要負責仿真一個主要負責模擬，共同實現虛擬制造技術功能的正常發揮。

2 基于虛擬制造技術的飛行器設計

2.1 生產加工過程的了解

了解飛行器產品的生產加工過程是實現飛行器有效設計的前提基礎，而了解則需要通過細致深入的分析來實現。由于飛行器設計過程中存在的許多問題都需要通過分析、仿真建模處理，而要想取得有效的分析成果，單純的依靠人腦是不夠的，還必須要借助先進的科學技術與設備儀器。利用虛擬制造技術對飛行器設計過程進行仿真分析與模擬，包括使用嵌入式仿真技術以動態的形式將飛行器零部件的加工流程、組裝順序、裝配標準、設計參數、連接件等表現出來，使用虛擬現實技術將飛行器的生產工藝、零部件、設備、調度等進行建模[3]。經仿真分析與模型建立，從而找出飛行器在當前工藝、加工方式等條件下存在的各種問題，并加以及時有效的處理，補充其中不足，完善設計缺陷，優化設計制造方案，從整體上提升飛行器生產效率。更重要的是，在虛擬制造技術的使用下，生產人員可以對飛行器設計內容及過程相對容易的了解和掌握，了解飛行器加工的具體流程，這就為飛行器的良好設計與改進創新提供了有利條件。

2.2 部件裝配與產品設計布局

飛行器作為一種結構復雜的產品，需要由多種零部件和附件組裝而成，而只有所有構件、附件全部安裝精確到位，飛行器的質量才能得到可靠保證。但在實際裝配中，這是一項精細活，不僅配件、部件數量多且種類復雜，很容易出現安裝錯誤情況，而一旦安裝錯誤便會導致零件報廢，造成資源浪費，生產效率的下降。采用虛擬制造技術對飛行器零配件進行裝配，可以有效減少錯誤情況發生，減少資源浪費，節約成本[4]。該技術建模精確度非常高，通過對產品進行三維立體圖樣建模，可以真實準確掌握產品的性能、質量等特性，為部件的合理正確裝配提供有利條件。不僅如此，它還提供有裝配模擬軟件，能夠對部件的裝配過程進行模擬，對飛行器設計過程進行監控，找出其中干擾因素并排除。

以往飛行器設計的外形布局都是采用塑料模型，不僅耗時費力，而且難以測評和修改。現采用虛擬制造技術對飛行器產品的設計布局進行優化調整，提高其合理性，克服傳統缺陷。通過對飛行器外形進行仿真建模，生成相應數據報告，將其布局以三維立體動態的形式呈現出來，并對布局過程進行相應的簡化處理。

2.3 產品性能的調節

產品性能是使用者對產品最為關注的一個方面，而良好的性能可以有效增強企業競爭力，贏得客戶青睞。將虛擬制造技術引入到飛行器的設計制造過程中，對飛行器的性能進行了解與改進。鑒于運動協調關系、運動設計范圍、產品強度與剛度、動力學特性等是影響飛行器性能的主要因素，通過對這幾個因素進行明確與合理控制，從而實現對飛行器性能，尤其是動力學性能的有效調節。使用虛擬制造技術，通過計算機軟件對飛行器設計進行仿真模擬，對其強度與剛度進行合理設計，提高運動關系協調性，明確運動設計范圍，分析動力學性能[5]。

3 結束語

虛擬制造技術在飛行器設計中的應用是該技術的一個典型應用，相比于其他多種技術而言都具有明顯的優越性。它可以加強產品設計過程的了解，提高部件裝配與產品設計布局的合理性，有效調節產品性能，可以對飛行器進行有效的仿真分析與建模。總之，虛擬制造技術在飛行器設計中具有十分巨大的應用價值，具有良好的發展前景。

參考文獻

[1]吳維江.基于DELMIA的飛行器虛擬裝配技術研究與應用[D].南京航空航天大學，2009.

[2]吳玲.面向飛行器總體設計的虛擬裝配約束管理研究[D].南京航空航天大學，2010.

[3]甘春閏.面向飛行器設計的虛擬集成平臺（IVPAD）關鍵技術的研究與實現[D].南京航空航天大學，2008.

[4]婁依志，周永平，申亮，等.虛擬裝配技術在飛行器結構設計中應用研究[J].機械研究與應用，2014，04：125-127.

[5]周安寧.協同設計技術及其在飛行器設計中的應用研究[D].南京航空航天大學，2012.

作者簡介：劉東帥（1985-），男，漢族，吉林省吉林市人，現職稱：助教，學歷：本科，研究方向：飛行器制造工程。