虚拟制造技术在飞行器设计中的运用

卢子杰

（杭州电子科技大学 浙江 杭州 310018）

0 引言

飞行器设计过程较为复杂，涉及外形设计、零部件设计、总体设计、结构设计、材料选择、试制试飞等环节，任何一个环节出错都可能导致设计的失败。在飞行器设计过程中必须对每一个环节实时检验、对每一个零部件核对校准，而传统的飞行器制造技术较为复杂，需要耗费大量的人力、物力和时间，往往在样机制作前就耗费了大量的人力物力，实际制作出样机在进行试飞时存在结构载荷、动力性能等较多不确定性因素，不仅容易导致试飞失败、增长研制周期，且设计成本较高、容易造成巨大损失。因此，必须使用现代制造技术来降低飞行器设计成本、提高飞行器设计效率。虚拟制造技术涉及多个学科领域，是一种基于计算机仿真、建模和分析技术的数字化制造技术，应用领域较广、应用价值较高[1]。虚拟制造技术在飞行器设计中的运用能够对飞行器设计中的不确定因素进行有效评估和分析，本文基于此对虚拟制造技术在飞行器设计中的具体运用进行了讨论。

1 虚拟制造技术功能及其在飞行器设计中的应用价值

1.1 虚拟制造的功能

虚拟制造技术群通常分为三大集群：仿真技术、控制技术和建模技术，其中仿真技术群是基于虚拟技术模仿、生产过程的性能；建模技术组一般分为企业、车间和产品3级，主要用于成本审核、市场风险估计、行业模型构建等；作为一种仿真建模技术，虚拟制造技术的主要功能是仿真和建模。通过模拟生产过程，预测产品工艺、风险收益、市场、设备、调度等，可以有效评估产品加工过程，评估风险和收益[2]，从而改进产品加工方式，提高生产效率。此外，这一主要功能还可以帮助生产人员对产品的各个方面进行更详细、更全面的了解，比如工艺、性能、可制造性等，有助于优化飞机制造方案。虚拟制造技术主要功能的实现主要依赖于两个关键技术，即虚拟现实技术和嵌入式仿真技术。这两种技术主要负责仿真和模拟，共同实现虚拟制造技术的正常功能。

虚拟制造技术和实际的生产制造一样，有着完整的制造规程。但是虚拟制造技术是在计算机内进行的而且虚拟制造技术中的建模可以对实际制造有着预测功能，在实际制造之前预测生产过程中存在的部分问题。虚拟制造可以提供一个云办公的环境。不同专业、不同领域甚至不同地域的工作人员在同一个模型中共同工作，极大地提高了工作的效率，整个产品开发到生产的速度和质量得以提升。这种技术可以降低研发成本，利用虚拟制造技术可以在计算机内进行产品的研发制造，没有实际的消耗和浪费。首先，虚拟制造技术是通过计算机的运行，建立正确的模型，在虚拟环境下对产品进行设计制造、加工操作，若出现问题，只需要通过简单的编码修改就可解决，这种生产特性很契合飞行器的加工制造，因为航空航天类期间造价高昂，一旦出现报废将是重大经济损失，出现问题还要反复修理调试，因此虚拟制造技术的应用极大地节省了工程造价。其次，已开发的产品模型只需要存储在计算机里，既节省了大量的仓库储存费用，也方便客户或市场产生变化时产品更改，并快速投入实际的生产。

1.2 虚拟制造技术在飞行器设计中的应用价值

随着互联网的发展，虚拟制造技术在制造业中的应用日益广泛，已有的虚拟制造技术应用案例验证了该技术的可靠性和高效性。利用虚拟制造技术对飞行器设计和制造过程进行建模，通过三维模型和动画实现飞行器设计、零部件观察、结构分析、性能评估、试飞检验等环节，能够在不消耗现实资源的前提下完成飞行器的设计流程，对飞行器性能结构合理性以及整机可制造性开展合理评估，对飞机制造中可能出现的问题进行预测[3]。虚拟制造技术可以提高飞行器设计的可改性以及性能评价的合理性，使得制造企业在飞行器投入制造前可以较为全面地排除飞行器设计存在的安全隐患，做好预案、降低制造风险；切实降低飞行器设计的成本投入和资源消耗，促进资源的整合优化，缩短研发周期。飞行器数字化设计技术和水平充分体现了一个国家航空航天制造业核心竞争力的高低，虚拟制造技术在飞行器设计中的运用能够有效促进我国航空航天事业的高速、高质量发展。

2 虚拟制造技术的应用现状

美国、德国、日本等工业发达国家在20世纪就对虚拟制造技术开展了大量的研究和应用，建立起了初步的虚拟制造技术体系。在这一领域的研究和应用中，美国处于世界前沿，其应用实例较多。比如，福特和克莱斯勒汽车公司在进入21世纪后就已经在新型汽车开发中应用了虚拟制造技术，使得汽车开发周期由原来的3年缩短到了2年。波音777是较为典型的虚拟制造技术应用实例，其设计到试飞都是在计算机上模拟完成的，零部件也通过三维模型进行展示，其开发周期从过去的8年缩短到5年，产品质量也得到了质的提升。而欧美的波音、空客等先进航空企业在飞机制造过程中已经广泛应用VR技术，利用VR技术对波音747进行虚拟设计获得成功已经成为虚拟制造的经典案例。波音747上的300多万个零件和飞机的整体设计均是在VR环境系统上进行的，该系统由数百台工作站组成，设计人员利用头盔显示器，在虚拟的“飞机”中穿行并审视各项设计。

我国虚拟制造技术的研究正处于起步阶段，清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等科研教学单位也已经开展了这一领域的研究工作，航天企业也致力于研发飞行器的设计与仿真软件，目前已研发出多款可用于飞机、无人机等多种飞行器设计，能够完成对飞行器的总体设计、模拟分析的数字软件。但是我国的研发重点依然在于二维数字软件的开发和数据的模拟；进入飞行器三维建模阶段，进行飞行器的三维虚拟设计和生产加工过程模拟是我国虚拟制造技术研究工作正在努力的方向。目前，我国对VR技术的应用主要集中在虚拟设计、零件加工过程仿真和装配仿真等方面。

3 虚拟制造技术在飞行器设计中的运用

3.1 设计信息和生产过程的三维可视化

传统的飞行器设计需要通过塑料模型评估设计外形，较为耗费时间和人力物力。通过虚拟制造技术构建飞行器三维模型完成其虚拟设计，能够有效提高飞行器设计的精度和设计的效率，让设计参数和信息更加科学可靠。设计信息三维可视化也能更加直观地展现飞行器设计外形与布局，可以将局部放大观察，使得工程师能够在设计的过程中及时发现和解决设计中暴露出来的问题与缺陷，对飞行器的外形参数进行优化调整，有效减少后期样机校准过程中的人力和物力投入，提高飞行器的外形质量[4]。

飞行器是多元部件精准组件而成的高密度科学产品，对于零部件的精度要求较高，材料的选择也至关重要。虚拟制造技术中的嵌入式仿真技术能够以动态的形式详细展示飞行器的设计参数以及零部件的加工、组装流程，通过虚拟现实技术建模能够及时发现飞行器生产过程中存在的问题以及零部件生产中可能存在的偏差，根据可能出现的问题优化飞行器设计方案和容差范围，调整零部件生产和组装顺序，对飞行器的生产工艺和流程进一步优化，从而促进资源的合理配置，提高飞行器生产效率和生产质量。

3.2 实现零部件装配与调节

飞行器的零部件繁多，组装飞行器需要经历一道又一道繁琐而复杂的工序，一旦在设计、生产和组装过程中出现任何细微偏差，都有可能导致零部件的报废，甚至可能导致飞行器出现动力性能问题，造成资源的浪费与经济的损失。虚拟装配技术的出现使得传统复杂装配流程中的弊端得到了改善和解决，美国的Sandia实验室开发了一套针对于飞行器的工艺规划系统，极大地方便和改善了整个工艺流程，包括德国的Jung开发的虚拟装配系统CODY，这类虚拟仿真通常能实现顺序控制、运动仿真和装配碰撞检查等。这类技术手段的应用带来的最大意义是通过可视化的手段干涉了碰撞和配合公差等一系列工艺问题，从而缩短装配制造周期，降低了制造成本。

通过虚拟制造技术能够立体展现零部件在飞行器中的组配情况、对零部件进行及时校准，精准把控零部件的规格，提高零部件的精度和零部件之间的适配度，加固飞行器结构。同时，虚拟制造技术能够通过三维模型更加直观地展现飞行器的内部布局和结构，通过对模型各个部位的监测能够有效检验飞行器结构的合理性，并对不合理之处进行及时修改，使得零部件之间更加契合，内部布局更为高效、内部结构更为合理，降低飞行器的故障发生率，提高飞行器内部质量[5]。

例如以往飞机设计的外形和布局都采用塑料模型，不仅费时费力，而且难以评估和修改。目前，利用虚拟制造技术对飞机产品的设计布局进行优化调整，以提高其合理性，克服传统缺陷。通过飞机外形的仿真建模，生成相应的数据报表，并以三维动态的形式呈现其布局，相应地简化了布局过程。

3.3 模拟试飞效果

在飞行器投入生产和使用前，试飞是必不可少的环节，并且根据试飞结果需要对产品设计进一步调整和优化。传统制造技术中，飞行器样机的制造需要耗费大量的人力物力，一次试飞失败就可能造成巨大损失。因此VR增强现实技术也开始进入飞机的智能制造流程。应用增强现实AR能够将虚拟环境中的模型信息叠加到现实场景中。在实际的工程中增强现实已经能够模拟出长达几千米的实际管路信息，使操作人员能够精准控制长达数百米的复杂电缆，在未来的飞行器仿真应用中，想要实现逼真的现实飞行环境，需要分布式地大量采集现实数据进行建模和仿真，这尚需进一步研究。

因此，为了尽可能地降低试飞成本，通过虚拟制造技术构建飞行器试飞环境、模拟试飞过程是一种有效手段。利用虚拟制造技术将飞行器模型放置在虚拟环境中，模拟不同环境下飞行器模型的试飞效果，模拟飞行器模型在遭遇外界干扰时的飞行状态，能够对飞行器开展全方位评估，明确飞行器的优劣。此外，利用虚拟制造技术可以更加近距离地观察飞行器模型的试飞状态，对其动力性能、刚度硬度、结构载荷开展更加准确的评估，并根据评测结果进行调整优化，提高飞行器的质量，确保在实际生产中能够一次试飞成功，缩短试飞调整时间、减少成本投入，提高飞行器设计的成功率和研制效率，延长飞行器服役时间。

3.4 人机协同作业

任何模型都有局限性，虚拟制造技术中也存在很多不确定因素，例如算法的适用性、算法本身的误差，计算或仿真方案的合理性以及一些输入性的错误都可能导致模拟结果出现偏差。通过对于数字化人机交互系统的研究，可以有效地提升人与机器之间的交流和互动。通过数字化的语言对任务进行描述，从而优化设计师对于飞行器的设备感受。在设备使用过程中，用户对于设备进行操控，包括机械设备和电子设备都可以作为人机交互系统中的使用设备。通过数字化交互系统可以有效地提升设计者对于相关参数的使用精准性，同时简化使用流程，减少在使用过程中的操作难度。通过虚拟制造人机交互这样的一种方式，可以由用户对汽车进行控制和有效的管理。在这一过程中可以通过计算机来完成大量的工作，人机交互系统通过外部的输入设备与内部软件进行匹配，利用外部的数据输入和内部软件进行计算，完成飞行器测控的相关功能。通过显示器、控制器等设备，可以有效地完成人机交互的各种功能操作。在控制相关飞行设备运行仿真时，需要通过指令将操作转变为数字化的信号达到设计者进入的环境，从而由汽车相关软件进行分析，对输入的指令进行判断，完成决策并执行。提升了用户的操控体验，促进人机交互系统的发展。

我们不能绝对相信虚拟制造技术的模拟结果，在飞行器设计中，要进一步加强人机协同作业，实时监测飞行器动态模型，记录虚拟制造技术中可能和设计参数或者常规生产环境不相符的地方，根据经验、理论核实结果，对确实存在偏差的地方予以修正和完善。在人机协同作业中进一步完善虚拟制造技术体系，提高模拟结果的可靠性，扩大虚拟制造技术的可应用范围[6]。

3.5 飞行器工作环境的模拟与仿真办法

在飞机设计的初始阶段需要采用“设计—分析—改进”的迭代方法对飞机的气动外形设计方案进行优化，最终达到提高飞机设计质量以及经济效益等目的。常用的有飞机CFD模型、沈阳航空航天大学自行研发的SAUFS飞行仿真系统场景。首先利用CATIA软件进行飞行器外形设计，并利用Fluent软件计算飞行器气动力数据，然后将气动力数据及相关原始数据输入到SAUFS系统进行可视化飞行仿真试验是国内飞行器设计的一般流程，获取并分析飞行性能数据。若对仿真结果不满意可以调整飞机外形或载荷，重复上述的CFD计算和仿真过程。通过上述过程实现了在虚拟环境下对飞行器初始设计方案进行评估和优化。

虚拟仿真功能的建模是核心要素，建模过程可以分为几何建模、线框建模、表面建模和实体建模等几种方法。其中实体建模最为复杂，他建立在表面模型的数据基础上，通过增加实体在这些面的信息构造而成的，在对模型面进行定义时，只要提供线框连接顺序增加部分数据量。实体建模主要通过CSG（体素构造法）和B-rep（边界表示法）这两种方法表达。为了让几何建模有着统一的表达，研发人员还开发出了NURBS（非均匀有理B样条）算法。在几何建模中，这种计算方法发挥着极其重要的作用。

4 结语

虚拟制造技术是现阶段开展飞行器设计的一项重要技术，在飞行器设计时运用虚拟制造技术能够有效降低飞行器的研制成本、缩短研制周期、提高研制质量。但是其模型和模拟过程依然存在不确定因素，需要通过人为干预评估。因此，在飞行器设计过程中，我们也不能过于依靠虚拟制造技术的评估结果，依然要结合工程师的经验和样机试飞结果去进一步检验虚拟制造技术的模拟结果，从而最大程度降低飞行器设计投入制作和使用后的风险，提高飞行器研发质量。同时，我们也应当积极寻求创新，进一步完善虚拟制造技术在飞行器设计中的应用体系，与其他现代制造技术结合起来，以期实现飞行器设计研制周期和成本的最小化，设计质量和研制效率的最优化。