民用飛機數字化研制的探索與研究

陳魯峰　王冰

【摘 要】本文簡述了民用飛機數字化研制的發展和國內外的進展情況。

【關鍵詞】民用飛機；數字化

0 概述

大型飛機研制涉及的學科領域廣，技術難度大，是一項極為艱巨和復雜的重大系統工程。隨著計算機集成制造、并行工程和虛擬企業等先進技術和理念的出現，飛機的研制模式也由人工化向數字化模式轉變。

20世紀90年代初，波音公司在研制波音777時首次采用了無紙設計、并行工程等數字化技術，率先實現了100%的數字化產品定義（DPD）和三維數字化預裝配（DPA），使得波音777的研制周期比波音767幾乎縮短了50%。

1 基于模型定義的數據（MBD）的研究

數字化條件下，DMU（Digital Mock-Up）數字樣機審核技術的大量應用，替代以前依靠二維圖或三維數模+二維圖飛機定義方式，使得設計、工藝能夠在更直觀、信息更豐富的三維可視化環境下進行并行研制。

MBD不是簡單地將二維圖紙的信息反映到3D產品模型數據中， 而是充分利用3D產品模型集成的完整地表達產品全部信息， 包括產品尺寸、形狀、制造工藝和檢驗檢測等信息，在生產制造過程中MBD使3D產品模型作為唯一依據。各業務部門人員可以基于一個產品模型協同工作，使用者能夠更加直觀， 準確的獲取生產檢驗的信息。

目前，單純從三維表達及FTA標注技術本身而言，主流的三維軟件如CATIA基本可以滿足MBD 標注的需求，但MBD 技術的核心不僅僅要求MBD 模型完全可以包含原先二維圖紙的標注信息，更關鍵的問題是在MBD 模型的基礎上，如何面向產品研制生命周期的所有使用人員，開展并滿足其使用更加方便、直觀、便于理解、更加高效的產品設計信息表達方法和數據信息的傳遞方式，建立一個面向產品生命周期協同研制的基于MBD 模型的數字化技術體系。

2 數字化裝配研究

一架完整的飛機零件數量往往數十萬甚至上百萬以上，絕大部分的零件都是通過數量龐大的緊固件組合在一起的，因此零件連接設計在飛機結構設計中占有非常重要的地位，緊固件設計的好壞直接影響到飛機的安全和性能，而緊固件設計的準確高效、飛機裝配車間高質量的信息讀取和檢查一直是飛機研制中的瓶頸和核心問題。

MBD設計還有助于制造單位采用先進加工裝配工藝和設備，如零件制造中的數控機加工、自動檢驗，裝配車間的激光定位、自動鉆鉚、自動裝配、Indoor GPS裝配，在線實時監控檢測等，有了基于3D的全部設計參數，可以輕松實現對車間內的任何零件、緊固件實現定位和裝配過程；同時一目了然的緊固件也便于工藝人員按需要編排零組件的裝配工序、工藝分離面等。 精確的MBD裝配設計便于對全部緊固件的管理，通過對三維坐標點和直線的描述，可以精確定位編號所有緊固件，有利于對漏鉚緊固件的數量、位置檢查，將來配合手持定位設備與電腦數模比對，可以自動監測裝配質量及制造符合性。

目前也有可以實現類似功能的商用軟件，如達索的CATIA V6中的緊固件模塊、德國西門子公司收購的VISTAGY公司開發的飛機機體設計環境軟件ADE （AIRFRAME DEVELOPMENT ENVIRONMENTS），目前Boeing、Goodrich等公司通過部分采用ADE管理機體設計與制造的整個流程，縮短了設計時間，取得了比較顯著的經濟效益。

3 我國民用飛機數字化研制進展

目前， 在我國新研航空產品的開發中，產品設計正在發展為全三維設計，基于MBD技術也已取得了很大的進展。但基于3D產品模型的數字化審核技術、全三維工藝和產品制造技術及體系尚不成熟，應用體系有待建立。

ARJ21-700飛機在國內率先開始數字化飛機研制的進程，大大提高了設計效率和質量。但受限于當時的設計方法及軟硬件平臺水平，ARJ21飛機采用了三維模型+二維圖紙的方式定義產品數據，雖然建立了全三維電子樣機模型，但緊固件裝配及具體工藝制造信息還表達在二維圖紙上，給設計及工藝裝配確實也帶來了較大的工作量和更改返工。

C919飛機從2009年工程樣機設計開始，首次實現完全采用MBD方法及規范開展全三維設計。使用FTA進行尺寸、公差、附注等信息的標注，使用CATIA模型的附加屬性來表達產品特性、工藝制造信息，同時借助CAFE（COMAC Airframe Fastener & Fit Environment）飛機緊固件裝配設計系統的支撐，利用產品數據管理（PDM）平臺實現全新的在線設計理念，在國內第一次實現高效的全三維MBD飛機設計，取得了重要的技術突破，如圖1所示。

C919全三維數字化技術的整體應用水平比之前上了一個臺階，實現設計建模規范化、標準化，有效提高了設計協調效率和質量，因不協調產生的設計低級錯誤在大客的研制中非常少出現，有效降低了因此引發的設計更改導致的生產周期延誤和研制成本增加。

圖1 CAFE環境下的MBD設計

4 結論

目前國內在民機數字化設計領域基礎還非常薄弱，轉包生產的國外飛機零件在數字化信息的讀取及應用方面基本停留在人工識圖和簡單操作層面。需借鑒國外發達航空制造企業的成功應用經驗， 開展適合于我國航空產品的MBD數字化設計技術應用研究，建立基于三維產品模型航空產品數字化設計、工藝與制造的集成應用模式。

【參考文獻】

[1]范玉青，梅中義，陶劍.大型飛機數字化制造工程[M].中航出版社，2011-9-1.

[責任編輯：湯靜]