民用飞机数字化研制的探索与研究

陈鲁峰　王冰

【摘 要】本文简述了民用飞机数字化研制的发展和国内外的进展情况。

【关键词】民用飞机；数字化

0 概述

大型飞机研制涉及的学科领域广，技术难度大，是一项极为艰巨和复杂的重大系统工程。随着计算机集成制造、并行工程和虚拟企业等先进技术和理念的出现，飞机的研制模式也由人工化向数字化模式转变。

20世纪90年代初，波音公司在研制波音777时首次采用了无纸设计、并行工程等数字化技术，率先实现了100%的数字化产品定义（DPD）和三维数字化预装配（DPA），使得波音777的研制周期比波音767几乎缩短了50%。

1 基于模型定义的数据（MBD）的研究

数字化条件下，DMU（Digital Mock-Up）数字样机审核技术的大量应用，替代以前依靠二维图或三维数模+二维图飞机定义方式，使得设计、工艺能够在更直观、信息更丰富的三维可视化环境下进行并行研制。

MBD不是简单地将二维图纸的信息反映到3D产品模型数据中， 而是充分利用3D产品模型集成的完整地表达产品全部信息， 包括产品尺寸、形状、制造工艺和检验检测等信息，在生产制造过程中MBD使3D产品模型作为唯一依据。各业务部门人员可以基于一个产品模型协同工作，使用者能够更加直观， 准确的获取生产检验的信息。

目前，单纯从三维表达及FTA标注技术本身而言，主流的三维软件如CATIA基本可以满足MBD 标注的需求，但MBD 技术的核心不仅仅要求MBD 模型完全可以包含原先二维图纸的标注信息，更关键的问题是在MBD 模型的基础上，如何面向产品研制生命周期的所有使用人员，开展并满足其使用更加方便、直观、便于理解、更加高效的产品设计信息表达方法和数据信息的传递方式，建立一个面向产品生命周期协同研制的基于MBD 模型的数字化技术体系。

2 数字化装配研究

一架完整的飞机零件数量往往数十万甚至上百万以上，绝大部分的零件都是通过数量庞大的紧固件组合在一起的，因此零件连接设计在飞机结构设计中占有非常重要的地位，紧固件设计的好坏直接影响到飞机的安全和性能，而紧固件设计的准确高效、飞机装配车间高质量的信息读取和检查一直是飞机研制中的瓶颈和核心问题。

MBD设计还有助于制造单位采用先进加工装配工艺和设备，如零件制造中的数控机加工、自动检验，装配车间的激光定位、自动钻铆、自动装配、Indoor GPS装配，在线实时监控检测等，有了基于3D的全部设计参数，可以轻松实现对车间内的任何零件、紧固件实现定位和装配过程；同时一目了然的紧固件也便于工艺人员按需要编排零组件的装配工序、工艺分离面等。 精确的MBD装配设计便于对全部紧固件的管理，通过对三维坐标点和直线的描述，可以精确定位编号所有紧固件，有利于对漏铆紧固件的数量、位置检查，将来配合手持定位设备与电脑数模比对，可以自动监测装配质量及制造符合性。

目前也有可以实现类似功能的商用软件，如达索的CATIA V6中的紧固件模块、德国西门子公司收购的VISTAGY公司开发的飞机机体设计环境软件ADE （AIRFRAME DEVELOPMENT ENVIRONMENTS），目前Boeing、Goodrich等公司通过部分采用ADE管理机体设计与制造的整个流程，缩短了设计时间，取得了比较显著的经济效益。

3 我国民用飞机数字化研制进展

目前， 在我国新研航空产品的开发中，产品设计正在发展为全三维设计，基于MBD技术也已取得了很大的进展。但基于3D产品模型的数字化审核技术、全三维工艺和产品制造技术及体系尚不成熟，应用体系有待建立。

ARJ21-700飞机在国内率先开始数字化飞机研制的进程，大大提高了设计效率和质量。但受限于当时的设计方法及软硬件平台水平，ARJ21飞机采用了三维模型+二维图纸的方式定义产品数据，虽然建立了全三维电子样机模型，但紧固件装配及具体工艺制造信息还表达在二维图纸上，给设计及工艺装配确实也带来了较大的工作量和更改返工。

C919飞机从2009年工程样机设计开始，首次实现完全采用MBD方法及规范开展全三维设计。使用FTA进行尺寸、公差、附注等信息的标注，使用CATIA模型的附加属性来表达产品特性、工艺制造信息，同时借助CAFE（COMAC Airframe Fastener & Fit Environment）飞机紧固件装配设计系统的支撑，利用产品数据管理（PDM）平台实现全新的在线设计理念，在国内第一次实现高效的全三维MBD飞机设计，取得了重要的技术突破，如图1所示。

C919全三维数字化技术的整体应用水平比之前上了一个台阶，实现设计建模规范化、标准化，有效提高了设计协调效率和质量，因不协调产生的设计低级错误在大客的研制中非常少出现，有效降低了因此引发的设计更改导致的生产周期延误和研制成本增加。

图1 CAFE环境下的MBD设计

4 结论

目前国内在民机数字化设计领域基础还非常薄弱，转包生产的国外飞机零件在数字化信息的读取及应用方面基本停留在人工识图和简单操作层面。需借鉴国外发达航空制造企业的成功应用经验， 开展适合于我国航空产品的MBD数字化设计技术应用研究，建立基于三维产品模型航空产品数字化设计、工艺与制造的集成应用模式。

【参考文献】

[1]范玉青，梅中义，陶剑.大型飞机数字化制造工程[M].中航出版社，2011-9-1.

[责任编辑：汤静]