工業(yè)4.0對航空設計及維修業(yè)的影響

Ben Hargreaves

物質世界和數(shù)字世界的深度融合，在產生大量信息的同時也為制造業(yè)、維修業(yè)開辟了新局面，將對飛機全壽命周期產生重要的影響。

兩百多年前，蒸汽機的轟鳴拉開了第一次工業(yè)革命的大幕，工業(yè)化發(fā)展勢不可擋，影響力覆蓋各個行業(yè)、延伸至世界的每個角落。百年來，每一次歷史性變革都伴隨著科技的劃時代突破，工業(yè)由傳統(tǒng)機械化走向電氣化再走向自動化。那么下一步，工業(yè)發(fā)展將走向何方？2013年，德國率先提出了“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略。

“工業(yè)4.0”現(xiàn)已成為高端制造業(yè)的風向標。其中，航空工業(yè)是邁人“工業(yè)4.0”即“第四代工業(yè)革命”的過程中的早期實踐者。羅羅公司認為，與過去的工業(yè)革命由單一核心技術引導所不同，“工業(yè)4.0”雖然包含了很多新一代的制造工藝，但是這些技術本身并不是革命性的，而是它所處的整個制造業(yè)生態(tài)體系的變革。數(shù)字化帶來的智能制造是實現(xiàn)體系革命的重要載體。

據(jù)凱捷咨詢公司（ Capgemini）研究指出，截至2017年3月，62%的航空和國防類企業(yè)從事智能制造項目。這一比例使航空工業(yè)在數(shù)字化工廠運用方面不僅領先于汽車行業(yè)（50%），還領先于能源及公共事業(yè)（42%）、生活消費品（40%）、生命科學和醫(yī)藥（37%）等行業(yè)。

工程模擬和三維設計軟件公司ANSYS表示，在未來幾年內，數(shù)字化工具的使用會在航空制造和維修領域有所增長。因為在未來20年內，將會有約40000架新飛機交付給航空公司，為此，飛機制造商需要提高生產效率。但由于單架飛機構造相當復雜，所需零部件數(shù)量極其眾多。因此，制造業(yè)必須找到制造飛機的新方法，而“工業(yè)4.0”正是解決這一問題的有效方法。

當然，各大OEM廠商早在十年前就在利用數(shù)字化技術制造新飛機。以空客A350 XWB飛機為例，空客工程師采用達索系統(tǒng)3D Experience平臺，使A350XWB設計制造過程中的4000人的工作相關聯(lián)，而且其中85%的人處于供應鏈中。該技術也使空客公司的飛機制造模式實現(xiàn)了較大的飛躍。在A350 XWB之前的項目中，盡管每個生產站點也都配有數(shù)字樣機，但由于沒有配備持續(xù)的通信，使得設計時間有所延長，而且設計過程中由于溝通不暢會出現(xiàn)一些錯誤，最終導致制造成本增加。

而在設計A350 XWB飛機時，空客主要采用了以下技術和工具：一是在A350XWB飛機上安裝達索系統(tǒng)公司的產品生命周期管理（PLM）解決方案Enovia，該方案是3D Experience平臺數(shù)字化設計和模擬功能的核心，可作為A350 XWB設計數(shù)據(jù)的中央存儲器和輸送裝置，能使工程師更好地進行數(shù)據(jù)管理。二是采用了達索系統(tǒng)公司的CAD虛擬設計工具CATIA，以解決該機設計所要求的超大型組件問題。例如，A350 XWB飛機機翼可能由7TB級數(shù)據(jù)組成。三是采用了達索系統(tǒng)公司的模擬軟件應用，如有限元分析等仿真軟件，以便設計師了解航空零部件的材料和應力問題。

此外，達索系統(tǒng)Enovia協(xié)同技術還可通過耳機或沉浸式投影機系統(tǒng)Cave技術與3D虛擬現(xiàn)實（VR）系統(tǒng)共同作業(yè)，使空客的工程師在A350 XWB飛機設計過程中就對機內零件實現(xiàn)了可視化，使飛機系統(tǒng)組裝可視化。在裝配前，除了有助于設計工程師開展設計驗證，還能夠使從事飛機零件設計的所有工程師獲取到傳輸至VR兼容模塊的三維設計數(shù)據(jù)。

當今，物理世界和數(shù)字世界正在進行深度融合，在產生大量信息的同時也為產品的制造和維修開辟了新模式。就數(shù)字工具而言，ANSYS仿真軟件已在飛機制造和汽車制造領域運用多年的主要原因是飛機和汽車都是復雜性與安全性要求并具。而且當前ANSYS仿真軟件還能夠對增材制造件的形狀進行優(yōu)化，在保持零件相同性能和安全級別的同時達到減輕零件重量、減少材料使用量和降低零件復雜程度的目標。

目前，ANSYS軟件公司將“數(shù)字孿生”概念用于航空航天業(yè)一級客戶和OEM廠商，并開展了流體力學、嵌入式軟件仿真和結構仿真等技術應用，表明了工業(yè)4.0對航空業(yè)的影響顯著增強。此外，“數(shù)字孿生”還能夠作為飛機發(fā)動機等實體結構的虛擬模型，進行數(shù)據(jù)收集。因此，未來航空零部件中會包含更多的傳感器，它們通過采用高速網絡連接將采集到的數(shù)據(jù)實時傳送給工程師。

現(xiàn)代飛機能夠產生萬億字節(jié)的數(shù)據(jù)。一旦這些數(shù)據(jù)被收集，就能創(chuàng)建出一套詳細的虛擬數(shù)字模型，并可以對部件或系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行評估。顯然，這將為飛機維修業(yè)帶來機遇。以飛機發(fā)動機為例，其維修數(shù)據(jù)與發(fā)動機歷史工作情況相關，通過“數(shù)字孿生”高保真模擬平臺可反映發(fā)動機內部工作情況，進而對發(fā)動機的狀態(tài)進行分析，且能夠以此改進發(fā)動機的維修管理模式，如能夠使發(fā)動機具備更長的壽命周期、使發(fā)動機的停場時間最短。

“數(shù)字孿生”也有助于工程師和維修技術人員對發(fā)動機的工作原理進行更深入的了解。由于物聯(lián)網（IoT）可為成千上萬的物理航空零件提供實時數(shù)據(jù)連接，這樣虛擬的物理原型就成為了飛機實際飛行的實時代表，為工程師了解飛機工作原理、檢測飛機故障情況及開展故障預防提供了一個巨大的機遇。但“數(shù)字孿生”還需要采用新的技術如設計和生產出具備耐高溫特性的新型傳感器，以滿足航空發(fā)動機的工作環(huán)境要求。同時，還需要研發(fā)出具備高度專業(yè)化和安全性的軟件代碼，以保證整個虛擬原型及傳輸網絡的安全。目前，作為傳統(tǒng)飛機設計領域的軟件供應商，ANSYS公司正在利用PTC的Thingworx、GE的Predix等物聯(lián)網平臺以及與各類OEM廠商合作，以對ANSYS軟件在工業(yè)機械數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)管理工作流程中所扮演的角色進行驗證。

此外，在航空制造業(yè)，工業(yè)4.0可能還意味著能夠對每個零件進行準確地跟蹤，并采用數(shù)據(jù)持續(xù)優(yōu)化生產線，使庫存管理更高效。