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虚拟仿真 航空发动机自主研制的加速器

核心提示: 过去五年,中国的现代制造业发生了翻天覆地的变化,中国制造的变化和创新速度让世界惊奇,其中很重要的一个原因就是中国制造搭上了第四次工业革命的快车。

过去五年,中国的现代制造业发生了翻天覆地的变化,中国制造的变化和创新速度让世界惊奇,其中很重要的一个原因就是中国制造搭上了第四次工业革命的快车。中国航空发动机产业能否紧跟时代步伐,中国航发能否在尽可能短的时间内完成肩负的历史重任,虚拟仿真、智能制造与传统制造模式的融合运用是重要的支撑之一。我们需要充分的运用信息化手段和智能制造理念来变革我们的制造模式,变革我们的设计思维,变革我们的保障方式,虚拟制造(Virtual |Manufacturing,VM)作为变革发动机制造模式的重要技术方法之一,也是促进航空发动机研制前进的加速器之一。

虚拟仿真让设计优化更便捷

航空型号产品的自主研制必然要经过论证、设计、仿真(虚拟试验)、样机(装配检测与物理试验)、定型、批产、维护等这些阶段。一方面,用户需求在漫长的研制过程中存在变数,另一方面,产品设计中的许多装配、性能问题往往要到样机制作才能暴露出来。传统模式下,人们被迫通过物理样机的反复试制来优化设计方案,每一次“反复”消耗的都是“真材实料”,不仅面临时间和成本的严峻考验,还给设计方案的最优化带来了重重阻力。

虚拟仿真旨在提供一个强有力的数字建模与仿真环境,使产品的规划、设计、制造、装配、试验、维护等均可在计算机上实现,为产品全生命周期的各个阶段提供支持,帮助企业在设计阶段就对产品制造的全过程进行虚拟集成,预测、检测、评价产品性能和制造可行性,达到产品开发周期与成本最小化、产品设计质量最优化以及生产效率最大化。虚拟现实技术的发展与融入为虚拟制造补充完善了多目标多学科物理仿真、人机工程学分析、沉浸式交互操作等关键技术,物联网、云计算、高性能计算机的发展为虚拟样机可行性、可信度分析验证和异地协同提供了有力支撑。

例如,波音777整机设计、部件测试、整机装配以及各种适航标准环境下的试飞均得益于虚拟制造,其开发周期从过去的8年缩短为5年,波音787进一步实现了全球协同虚拟制造。更重要的是,虚拟制造极大地促进了波音公司飞机设计能力的提升——虚拟样机替代物理样机,使设计方案修改更加便捷、灵活;在产品研制过程中,虚拟样机实现了整机规模的评审、跨系统干涉检查,改变了传统的交流模式,提高了不同学科、不同部门、不同供应商之间的协同设计、评审的效率;变“后实物验证”为“先虚拟体验”,避免将设计缺陷带入后续研制阶段,大大减少反复更改活动,使设计一次成功成为现实,有效地降低了成本、缩短了研制周期。

航空发动机研制加速关键应用

相对于飞机机体制造而言,航空发动机的结构和性能要求更加复杂,其研制过程中装配难度更大,但是虚拟制造同样为航空发动机的设计优化、研制提速提供了诸多可能性。

虚拟样机可以直观地呈现设计方案,不仅能显示产品的外形,还能显示产品的内部结构、装配和维修过程、使用方法、工作过程、工作性能等,允许多次评测,进行快速便捷地修改。

虚拟制造能够实现加工工艺仿真,例如,针对金属材料热成形过程的技术难点(高温、动态、瞬时、难以控制质量),从材料成形理论分析入手,通过对材料成形过程进行动态仿真,使得基础理论能直接定量地指导金属材料热成形过程,并预测不同条件下成形后材料的组织、性能和质量以及加工过程中可能出现的加工缺陷等,进而实现热成形件的优化设计,最大限度地发挥材料的性能潜力。中国航发现已实现了航空发动机关键部件铸造过程的虚拟仿真与展示,对产品设计的合理性、可加工性、加工方法进行仿真、分析与处理。

航空发动机装配是发动机制造过程中的核心环节?;挡纷芭涫巧杓迫嗽奔壮鱿执砦蟮牡胤?。如果缺陷到产品最后装配时才发现,极可能导致零件的报废和工期延误,造成巨大的经济损失甚至企业信誉损失。虚拟装配技术可以在设计阶段就对工厂和车间布局及工艺工装进行验证,设计者可以置身虚拟环境中模拟零件装配,并检查可能的干涉等问题,确保零件本身以及装配环境布局的正确性。

随着虚拟现实技术与高性能计算机及算法的发展,虚拟环境中的建模技术趋于数字实体化,将模型置于虚拟环境中控制、仿真和分析,可以方便、直观地进行工作性能检查。在产品设计阶段就能展示出产品的行为,动态表现产品的性能,包括运动构件工作时的运动协调关系、运动范围设计、可能的运动干涉检查、产品动力学性能、强度、刚度等。

航空发动机产品的研制需要多个厂所共同协作才能完成,航空发动机设计过程是一个多层次动态多变耦合协同设计/仿真过程,既有航空发动机系统总体设计流程,又有各子系统多学科协同设计流程,还耦合着各学科内部仿真分析流程。虚拟制造系统可以提供协同仿真与优化环境,将异地的、各具优势的研究开发力量,通过网络和视像系统联系起来,进行异地开发,能更好地服务于 |IPT |团队,在设计、零部件生产、装配以至维护这一全过程中各个环节实现协同仿真。

虚拟仿真的未来启示

在近期的国际航空发动机论坛上,通用电气、罗罗、普惠等航空发动机巨头以及伊萨、西门子等软件服务商均将虚拟现实、“数字双胞胎”等虚拟制造相关技术列为未来创新发展研究重点。当前,我国虚拟制造应用的重点研究方向是基于我国国情进行产品的三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真,主要是研究如何生成可信度高的产品虚拟样机,在产品设计阶段能够以较高的置信度预测所设计产品的最终性能和可制造性。

虚拟制造是研究与应用紧密结合的产物,还有许多重大技术难题需要人们继续努力去解决。更深入的建模技术研究与材料性能研究、多学科虚拟性能仿真、多领域优化设计、虚拟制造与虚拟性能的耦合、一体化工程虚拟样机综合仿真、大数据、数据挖掘、高性能计算机等在仿真分析领域的应用均是虚拟制造未来的发展方向。纵观工业领域各种技术的发展与应用,大都有一个从非标准化到标准化的发展过程,这一过程同样适用于虚拟制造。如何使地理上分布于世界各地的设计、工艺以及制造人员参与到产品设计及验证过程中来,建立基于Internet的协同虚拟环境是分布式发展的必然趋势。

航空发动机的自主研制必须遵循产品研制的客观规律,每一个阶段都需要一步一个脚印走下去,我们要实现追赶,必须尽可能地减少研制过程的“反复”,追求设计能力的提升,追求一次性把事情做对,坚持创新驱动发展战略的同时,必须要保持一种大胆开放、合作共赢的姿态,在颠覆性新技术上勇往直前。

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