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用數(shù)字孿生迎接航空航天工業(yè)的未來

2021-01-06

　　你應(yīng)該沒親身經(jīng)歷過五十年前世界上第一架超音速客機(jī)首飛帶來的精彩時(shí)刻，但在不遠(yuǎn)的將來，你還有機(jī)會(huì)去體驗(yàn)搭乘純動(dòng)力飛機(jī)的旅程。

　　這絕不是黃粱美夢(mèng)，事實(shí)上，隨著新技術(shù)的不斷涌入，純電動(dòng)、混合動(dòng)力、超音速私人飛機(jī)等新型航空器的發(fā)展勢(shì)頭超出想象。當(dāng)然，更多的機(jī)遇代表著更大的挑戰(zhàn)：愈加緊張的交付期，更加嚴(yán)苛的節(jié)能減排監(jiān)管，以及更高的舒適度和可靠性的要求。可以說，面對(duì)新技術(shù)飛速變化并且應(yīng)用場(chǎng)景日趨復(fù)雜，當(dāng)今的航空界以及航天界必須加快創(chuàng)新能力，并解決與制造供應(yīng)鏈中的協(xié)同等挑戰(zhàn)，才能滿足日益增長(zhǎng)的各方需求。

　　這樣，問題就來了，航空航天工程究竟要如何改變才能應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)？

　　航空以及航天工程都是龐大且長(zhǎng)周期的大工程，涉及到多學(xué)科、多部門、多階段（研發(fā)、制造、實(shí)驗(yàn)、認(rèn)證）的協(xié)同，更是需要經(jīng)歷設(shè)計(jì)方案迭代、制造、試驗(yàn)、認(rèn)證的復(fù)雜過程。而另一方面，加速創(chuàng)新又是航空航天企業(yè)贏得市場(chǎng)的首要推動(dòng)力，并且往往要面對(duì)在實(shí)驗(yàn)室中都難以實(shí)現(xiàn)的條件下，設(shè)計(jì)并創(chuàng)造產(chǎn)品。這些都促使企業(yè)必須實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，轉(zhuǎn)向通過數(shù)字化支撐來提高設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和運(yùn)營效率，更快地交付復(fù)雜度和性能不斷提升的新產(chǎn)品。換言之，航空航天企業(yè)必須轉(zhuǎn)向下一代工程模式：數(shù)字孿生，將實(shí)體環(huán)境與數(shù)字環(huán)境融合為一，才能在激烈的環(huán)境中保持競(jìng)爭(zhēng)力。

　　數(shù)字孿生，是物理實(shí)體的數(shù)字映射系統(tǒng)，能夠反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程，并根據(jù)產(chǎn)品的行為和變化而不斷演化。對(duì)于航空航天工程，數(shù)字孿生方法有助于更精確地設(shè)計(jì)和制造，允許工程師根據(jù)實(shí)時(shí)的系統(tǒng)反饋來評(píng)估性能和運(yùn)行狀況，并最終使產(chǎn)品變得智能且自動(dòng)化。近年來，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)成為航空航天業(yè)發(fā)展的必要手段。

　　西門子助力航空航天工程的成功

　　對(duì)于如何創(chuàng)建完整數(shù)字孿生，西門子深諳其道。眾多航空航天企業(yè)利用Siemens Digital Industries Software工具和解決方案為其產(chǎn)品及性能構(gòu)建了數(shù)字孿生，對(duì)縮短項(xiàng)目周期、提升性能和降低成本起到了重要作用。這其中主要包括但不僅限于：面向機(jī)電液多學(xué)科設(shè)計(jì)的NX，多學(xué)科仿真分析試驗(yàn)解決方案Simcenter的軟件產(chǎn)品組合（從工程設(shè)計(jì)角度而言，Simcenter應(yīng)有盡有，譬如Simcenter Testlab、Simcenter Amesim、Simcenter 3D、Simcenter Nastran、Femap、Simcenter STAR-CCM+、HEEDS等等），以及支撐產(chǎn)品全生命周期業(yè)務(wù)協(xié)同的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺(tái)解決方案Teamcenter等等。

　　這里僅對(duì)諸多成功案例進(jìn)行管中窺豹式的速覽，從結(jié)構(gòu)、空氣動(dòng)力學(xué)、系統(tǒng)性能、熱管理到驗(yàn)證和認(rèn)證管理的角度，來看數(shù)字孿生技術(shù)是如何打破創(chuàng)新壁壘，加快航空產(chǎn)品開發(fā)過程的。

　　結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能工程

　　吉?jiǎng)P恩航宇福克起落架公司應(yīng)用 Simcenter Amesim和Simcenter 3D Motion設(shè)計(jì)了安全可靠的起落架，并使流程節(jié)省了30%的時(shí)間。上海航空器適航審定中心（SAACC）通過使用Simcenter成功確立了C919起落架系統(tǒng)的剛?cè)岫囿w動(dòng)力學(xué)仿真模型，幫助認(rèn)證專家改進(jìn)分析確認(rèn)和適航審定效率。

　　空氣動(dòng)力性能工程

　　皮拉圖斯 PC-24團(tuán)隊(duì)，得益于Simcenter工具的支持，成功創(chuàng)建了業(yè)內(nèi)第一個(gè)精確的數(shù)字孿生，實(shí)現(xiàn)了并行開發(fā)，使新開發(fā)的 PC-24 在歷史最短時(shí)間內(nèi)飛上藍(lán)天。

　　系統(tǒng)性能工程

　　空客直升機(jī)使用 Simcenter Amesim和Simcenter工程設(shè)計(jì)對(duì)液壓、燃料和電氣子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)仿真，大幅減少了設(shè)計(jì)時(shí)間、原型成本和測(cè)試時(shí)間。

　　西門子電動(dòng)飛機(jī)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)則通過Simcenter產(chǎn)品組合，構(gòu)建了數(shù)字雙胞胎和物理測(cè)試，快速實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)飛機(jī)的開發(fā)。

　　集成測(cè)試驗(yàn)證和認(rèn)證

　　通過Simcenter產(chǎn)品組合中的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方案，西門子電動(dòng)飛機(jī)團(tuán)隊(duì)的Extra 330LE項(xiàng)目，成功完成了集成測(cè)試和認(rèn)證，同時(shí)縮短了測(cè)試數(shù)據(jù)的觀察時(shí)間，加快了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

　　熱管理

　　空客A320 neo飛機(jī)利用Simcenter STAR-CCM+聯(lián)合HEEDS，實(shí)現(xiàn)了在遠(yuǎn)離地面 30,000 英尺的外部高空環(huán)境下，提供舒適的內(nèi)艙氣候，并利用尋優(yōu)設(shè)計(jì)過程，在兩周內(nèi)就完成了更好的ECS設(shè)計(jì)，減少了90%的周轉(zhuǎn)時(shí)間。