飛機設計中的數字樣機技術

2024年3月28日發(作者：廣州站街)

飛機設計中的數字樣機技術

鄭黨黨;張志國;劉俊堂

【摘 要】從CAX工具的單點應用發展到數字樣機是數字化技術的飛躍.介紹了數

字樣機技術的產生和發展歷程,對比分析了數字樣機技術對飛機設計流程的影響,給

出了飛機設計中幾何樣機和性能樣機的概念及其用途.

【期刊名稱】《航空制造技術》

【年(卷),期】2016(000)005

【總頁數】4頁(P83-86)

【關鍵詞】虛擬樣機;數字樣機;幾何樣機;性能樣機

【作 者】鄭黨黨;張志國;劉俊堂

【作者單位】中航工業第一飛機設計研究院,西安 710089;中國國際工程咨詢公司,

西安 710089;中航工業第一飛機設計研究院,西安 710089

【正文語種】中 文

隨著計算機技術的發展，數字化技術的應用越來越廣泛，各類計算機輔助技術

（CAX）在產品設計中發揮著越來越重要的作用。隨著數字化技術應用的不斷深

入，產品設計正在由以CAX工具單點應用為核心的“設計數字化”向以數字樣機

（Digital Mock-Up，DMU）為核心的“數字化設計”轉變，數字樣機技術成為

當前國內外研究的熱點[1]。

數字樣機技術的產生與發展

1 虛擬產品開發與數字樣機

20世紀80年代到90年代，計算機技術的飛速發展推動了數字化技術在飛機等復

雜產品研制中的快速應用。波音公司在波音777研制中引入虛擬產品開發技術

（Virtual Product Development，VPD），采用數字化手段研制出世界上第一架

“無紙客機”，其中設計、裝配、性能評價與分析大量采用了數字化技術，使得研

發周期大大縮短、研發成本顯著降低，確保了最終產品一次接裝成功[2]。

虛擬產品開發過程的核心技術是虛擬樣機技術（Virtual Prototyping

Technology，VPT），即利用構建在計算機上、具有相當功能真實度的原型系統

代替物理樣機，對其候選設計的各種特性進行測試和評價的一種綜合性技術。按照

美國國防部建模和仿真辦公室（DMSO）的定義，虛擬樣機技術包括數字樣機、

虛擬功能樣機（Functional Virtual Prototyping，FVP）和虛擬工廠（Virtual

Factory，VF）3個方面[3]。

·數字樣機，主要用于面向制造的設計，用于快速評估組成產品的全部三維實體模

型裝配件的形態特性和裝配性能；

·虛擬功能樣機，對應于產品分析過程，用于評價已裝配系統整體上的功能和操作

性能；

·虛擬工廠，對應于產品制造過程，用于評價產品的制造性能。

從研制流程上看，數字樣機技術處于研制上游，是整個虛擬樣機技術的基礎和核心

（圖1）。

2 數字樣機技術及其發展

國家標準GB/T 26100-2010《機械產品數字樣機通用要求》給出了數字樣機的定

義：數字樣機是對產品整機或具有獨立功能的子系統的數字化描述，這種描述不僅

反映了產品對象的幾何屬性，還反映了產品對象的功能和性能[4]。

數字樣機有不同的分類方法，按照產品完整性分為全機樣機和子系統樣機；按照數

字樣機研制流程或生命流程階段分為一級樣機、二級樣機和三級樣機，其中一級樣

機主要面向方案設計，二級樣機主要面向詳細初步設計，三級樣機主要面向詳細設

計和試制[5-6]。

相對于CAX等單點數字化技術，數字樣機技術從系統的層面考慮產品研制過程的

數字化應用問題，是一項跨學科綜合性技術，其內涵和外延也隨著數字化技術應用

的深化而不斷拓展。數字樣機技術的應用可追溯到波音777研制中，波音公司采

用數字化技術構建了包含300萬個零件的波音777數字樣機模型，用以取代制造

物理樣機，并基于數字樣機進行零件裝配干涉預檢查和可達性、可維護性的仿真，

使得設計工程師和制造工程師可以基于數字樣機開展并行工程，把飛機在制造、裝

配和飛行過程中可能出現的問題盡量解決在制造前、裝配前和試飛前[7]。中航工

業西安飛機設計研究所率先在國內飛機研制中采用數字樣機技術，實現了三維外形

建模、三維結構設計、結構件和主要飛機系統件的預裝配，最終建立了5萬多個

零組件、43萬標準件的全機數字樣機，隨后在大飛機研制中將數字樣機技術應用

推向了更高的水平，實現了全三維并行協同研制[8]。

早期的數字樣機主要基于CAD技術描述產品的幾何結構及其相關的非幾何信息

（設計尺寸、工藝、制造信息等），可用于設計檢查和預裝配分析，隨后發展到運

動機構分析、人機功效分析等高級應用。近年來，隨著CAE技術應用的不斷深入，

數字樣機技術逐漸向反映產品功能和性能的方向發展。達索公司提出了功能數字樣

機的概念（Functional Digital Mock-Up，FDMU），用于拓展傳統DMU的應

用，主要支撐需求與功能分析、系統架構設計與綜合性能仿真等。歐盟聯合包括空

客、德宇航在內的50多家企業和研發機構發起CRESCENDO項目，進行性能數

字飛機（Behavioural Digital Aircraft，BDA）技術研究，解決飛機能量綜合優化

問題[9]。

基于數字樣機的飛機設計流程

數字樣機的核心特征是研制過程的數字化，不僅表現在設計模型等信息表達方式的

數字化，而且從根本上改變了傳統設計流程。

本文從飛機研制的設計過程對傳統設計流程和基于數字樣機的設計流程進行對比分

析，具體如圖2所示。

在傳統的設計流程中，方案設計完成后往往通過簡單的分析計算對方案進行評估，

雖然部分子系統或者核心部件也會進行原理性試驗，但是無法從整體上對方案進行

評估，隨后便轉入詳細設計，最終通過物理樣機試驗進行產品功能和性能的驗證。

圖1 虛擬樣機與數字樣機的關系Fig.1 Relationship of VP and DMU

圖2 數字樣機技術對設計流程的改變Fig.2 Change of the design process due

to the DMU technology

在基于數字樣機的設計流程中，方案設計完成后需要構建多學科數字樣機，基于建

模與仿真技術進行方案的早期評估和綜合性驗證，并根據仿真驗證結果對方案進行

優化，隨后再轉入詳細設計。

傳統的設計流程是一種試驗驅動的設計過程，其典型特征是串行工作和后期驗證，

由于設計人員基于獨立的模型開展設計，設計數據難以共享，多專業難以有效協同；

各設計階段內部的驗證不足，主要依賴后期的物理試驗進行驗證，容易造成跨階段

的更改和設計迭代，最終給研制成本和周期帶來很大的挑戰。基于數字樣機的設計

流程是一種仿真驅動的設計過程，其典型特征是并行工程和持續驗證，由于設計人

員基于統一的全機數字樣機開展在線設計，實現了設計數據的實時共享和成熟度控

制下的多專業協同；基于數字樣機在方案設計、詳細初步設計和詳細設計等不同階

段可以進行持續的仿真驗證，將設計缺陷消除在各個設計階段內部，極大減少后期

的物理試驗，消除跨階段的更改和設計迭代，從而達到飛機研制縮周期、降成本的

要求。

飛機設計中的“兩類三級樣機”

數字樣機技術體系在工程實踐過程中不斷發展，為了更好地推進數字樣機技術與飛

機設計業務過程的深度融合，中航工業西安飛機設計研究所從功能和應用的角度對

數字樣機進行了細分，提出了飛機設計中的“兩類三級樣機”，即幾何樣機和性能

樣機，如圖3所示。

幾何樣機主要以CAD技術為核心，從組成結構的視角描述產品的幾何特征及其相

關的制造信息，用于支撐數字化設計主流程，按照研制階段劃分為一級幾何樣機、

二級幾何樣機和三級幾何樣機。

性能樣機主要以CAE技術為核心，從功能和性能的視角描述產品的多學科性能，

用于支撐分析仿真輔流程，按照研制階段劃分為一級性能樣機、二級性能樣機和三

級性能樣機。基于幾何樣機的飛機設計主流程和基于性能樣機的飛機設計輔流程相

輔相成、高度交叉，共同推動飛機設計向前推進。

1 幾何樣機

飛機數字化幾何樣機主要通過三維CAD技術描述產品的幾何特征及相關的非幾何

信息，如拓撲結構、幾何尺寸、空間位置及其他制造屬性等，可用于產品的設計協

調、干涉檢查、虛擬裝配和展示等。

（1）一級幾何樣機。

一級幾何樣機面向概念設計和初步設計，主要支撐多方案的并行設計，包括總體骨

架模型定義、總體布置、外形設計和初步的結構布置設計等過程。一級幾何樣機，

通過成熟度控制方案的并行設計，通過建立可配置的方案控制單元實現全機方案的

配置管理。例如，在總體方案設計中，往往基于虛擬現實環境建立包含三維外形、

總體和結構布置三維模型的一級幾何樣機沉浸式系統，在此基礎上開展總體布置方

案的可視化設計和分析驗證。

（2）二級幾何樣機。

二級幾何樣機面向詳細初步設計，主要支撐基于唯一優選方案的協調設計，包括結

構骨架模型及布置設計、主要零部件設計、系統空間占位、設計內部的協調、設計

與制造的協調以及供應商設備安裝位置及接口的協調等。例如，在打樣設計中，可

以通過輕量化的二級幾何樣機取代傳統的物理樣機進行設計協調性檢查，通過區域

過濾和干涉檢查、運動機構分析等方法快速發現系統設備與結構干涉等問題。

圖3 飛機設計中的兩類三級樣機Fig.3 Two types of DMU at three phas in

aircraft design

（3）三級幾何樣機。

三級幾何樣機面向詳細設計及后續的工藝和生產試制，主要支撐面向制造的產品設

計，包括結構零組件細節設計、管路聯接件設計和線束設計等。三級樣機充分考慮

設計制造之間的并行，通過成熟度控制的工藝預審查和初步工藝路線定義，使得工

藝設計和工裝設計過程提前介入。例如，在工程研制階段，基于三級幾何樣機開展

總體、結構和系統之間的在線關聯設計，同時可以基于設計模塊開展工藝預審查和

初步工藝路線定義。

2 性能樣機

飛機數字化性能樣機是借助相關的標準、規范、工具、流程和平臺建立的，能夠實

現各專業在飛機研制各階段進行整機、系統、分系統的性能定義、分析、評估、優

化、交聯和展示的數字化飛機。

（1）一級性能樣機。

一級性能樣機面向概念設計和初步設計，主要支撐整機及關鍵部件（系統）的性能

定義、分析評估、多方案權衡以及多學科優化等，包括布置/布局優化、CFD計算、

功能及安全性分析等。例如，通過總體、結構和強度專業性能樣機模型和仿真流程

的關聯，開展多專業協同仿真；通過飛機系統架構和ICD對不同子系統原理模型

進行虛擬集成，開展多系統架構級綜合仿真驗證，為子系統和設備技術指標的確定

和系統方案整體最優提供支撐。

（2）二級性能樣機。

二級性能樣機面向詳細初步設計，主要支撐各系統、分系統（零部件）的指標分配

和性能分析，包括結構布置優化、復合材料分析優化、大部件有限元分析、系統功

能級建模與仿真等。例如，基于二級性能樣機，可以對各供應商交付的設備或子系

統C型件模型進行虛擬集成，通過供應商聯合仿真及時發現設計缺陷，并逐漸用

交付的真實C型件柔性替換仿真模型，通過半實物仿真的方法不斷逼近真實性能

指標。

（3）三級性能樣機。

三級性能樣機面向詳細設計及后續的工藝和生產試制，主要支撐各結構件的細節分

析和參數優化、全機有限元分析、系統瞬態特性分析、裝配工藝仿真、虛擬現實仿

真等。例如，通過對供應商交付的設備或子系統S型件模型的虛擬集成可以構建

三級性能樣機，并開展全機多系統性能級虛擬集成驗證，減少和簡化后期的物理試

驗。

結束語

技術創新和工程實踐相輔相成。從CAD、CAE到數字樣機技術的每一次進步都帶

來了設計思想、設計流程和設計手段的進步，產生了顯著的工程效益。隨著數字樣

機技術與型號研制業務的深入融合，數字樣機的內涵和外延也不斷拓展，必將推動

型號研制數字化應用水平邁上一個新的臺階。

參 考 文 獻

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