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航空制造网:我国航空软件困窘:起步30年,还在原地走

2020-03-26
摘要:自上世纪80年代后,世界航空业就迈入数字化设计的新阶段,现在已经达到离开软件就无法设计的高度依赖。设计一架飞机至少需要十几种专业软件,全是欧美国家产品。国内设计单位不仅要投入巨资购买软件,而且头戴钢圈,一旦被念“紧箍咒”,整个航空产业将陷入瘫痪。

  “30多年前,我读研究生时就在编写飞机设计和分析软件,当时我国的航空设计软件跟国外同时起步,但是现在市场已经完全被国外掌控。”说起飞机设计软件发展历程,南京航空航天大学教授、NH40飞机总设计师姚卫星觉得不可思议。

  航空百问:飞机是怎么设计出来的?

  自上世纪80年代后,世界航空业就迈入数字化设计的新阶段,现在已经达到离开软件就无法设计的高度依赖。设计一架飞机至少需要十几种专业软件,全是欧美国家产品。国内设计单位不仅要投入巨资购买软件,而且头戴钢圈,一旦被念“紧箍咒”,整个航空产业将陷入瘫痪。

  一、数字化“造”飞机更靠谱:

  飞机设计软件是飞机设计及性能评估不可缺少的工具。

  设计飞机全过程在CATIA为基础的平台上开展。首先要从气动外形开始,主要用到的软件有Fluent、AAA等。

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  然后是结构设计,主要用到的软件有MSC NASTRAN、Abques、Fatigue、Analsis等;同时开展系统设计,包括操作系统、动力系统、控制系统和人机环境等,主要用到的软件有ADMS、Simulink等。

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  波音737max组装现场

  飞机设计不仅流程繁琐,而且零部件数量庞大,加工制造容不得丝毫误差。在手工设计时期,返工修改是飞机制造业最常见的通病。

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  歼10

  据媒体报道,设计歼-10飞机时,主起落架主承力结构的整个金属部件是委托国外制造。但造完之后,起落架的收放出现问题,有5毫米的误差,只好重新订货制造。仅仅是这一点点的误差,影响了歼-10首飞推迟了八九个月。没有全数字化的软件支撑,任何一点细微的误差,都可能成为制造业的梦魇。

  飞机有成千上万个零部件,没有全数字化设计,几乎是不可想象的。

  二、发令枪响了30年还在原地走:

  “现在这些名气很大的软件,起初都是航空公司或大学科研人员开发的,比如CATIA软件,功能很强大,现在全球的飞机公司基本都用这个软件在设计,就是法国达索公司一个设计室研发的;还有AAA软件,是美国一个大学教授开发的。”姚卫星说,我国的航空设计软件起步阶段与国外差不多,也是科研人员根据工作需要琢磨着编写出来的。

  例如,中航集团623所上世纪80年代就开发出一款“航空结构分析软件(HIJF)”,主要功能与大名鼎鼎的美国NASTRAN软件相近,但是现在鲜有人用。

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  国外飞机设计软件PIANO对波音787飞机进行分析

  其差别就在于,国外软件开发出来后,会根据设计需要,一步步升级改进,目的是使软件好用易用、让更多的人使用;而国内的软件开发出来后,只要计算结果正确,谁也不会花精力去美化界面、增添功能,软件的使用者也仅局限于本单位或本科室甚至是某几个人,除此以外,别人既看不懂也不会用。

  但是,使用国外软件的代价也是相当大的。“比如达索的CATIA,国内任何一个航空设计单位在这一个软件上花的钱都要上千万。”姚卫星说,航空设计软件少则几十万元,多则近千万元,每增加一个账号还要另付一笔费用,过几年升级版本还要付费。如果要完整地设计一架飞机,需要十几甚至几十个软件,花费可想而知。

  三、航空设计软件自给需补足市场课:

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  航空设计软件起早赶晚集,是缺人还是缺钱?都不是。

  “航空设计软件的程序代码与普通软件并没有什么不同,但是背后需要强大的理论支撑。比如用来设计结构强度的有限元软件,基本原理就来自我国冯康院士提出的‘有限元’理论。”

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  在我国航空设计单位中,类似的现象还有不少。可以说,我国并不缺少相应的人才和理论基础。近年来,有关部门也组织科研单位集中力量开发相应软件,但时至今日,市场上也看不到哪个国产软件在流通使用。

  “国有科研单位以型号为管理目标,导致软件后续开发难以持续,而民营企业又没有航空专业人才。”姚卫星说,航空设计软件想要与国外媲美,必须有市场化思维。且这类软件开发周期较长、基础理论要求高,需要国有科研单位与民营软件公司配合,理顺上下游产业链。

  附:常用航空软件

  1、UG NX

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  UG(Unigraphics) NX是西门子公司开发的一个交互式CAD/CAM系统,随着PC硬件的发展和个人用户的迅速增长,已经成为三维设计领域的一个主流应用。可以轻松实现各种复杂实体及造型的构建,将复杂多变的信息转化为二进制代码,用计算机进行快速处理,为用户的产品设计及加工过程提供数字化造型和验证手段。它包含了产品设计、工程制造全范围的开发过程,广泛应用于航空制造领域。

  2、CATIA

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  CATIA是IBM公司和达索公司合作后推出的一款三维CAD/CAE/CAM集成软件,在产品外形设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析模拟等领域具有强大的功能,已成为国际航空工业首选软件。

  在虚拟装配方面,CATIA除了拥有先进的混合建模技术、强大的三维实体造型功能以及全面的装配设计模块之外,还可以对虚拟装配的装配模型进行干涉校验,并生成检测报告,及时发现装配中存在的干涉点。

  3、AdvancedAircraft Analysis(AAA)

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  美国DAR((Design, Analysis and Research))公司的飞机设计软件。AAA软件在全球范围内超过55个国家成功应用,被世界范围内的主要航空工程大学、飞机制造商、军事组织广泛使用。AAA包含飞机概念设计所有专业的设计能力,使用大量的经验工程方法和数据,并且一直在更新进步:DAR一直持续不断的在研究风洞实验数据基础上,更新AAA中所使用的方法。

  4、RDS

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  美国CRC(Conceptual ResearchCorporation)开发的飞机概念设计软件,具有优秀的三维造型设计能力, RDS可以进行飞行器概念设计、初步设计,包含总体、气动、性能、重量、载荷、控制、动力、成本等功能。具有自己的图形系统,设计和造型能力突出。

  5、CADS/OpenCADS

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  北航开发的飞机概念设计软件,有自己独立的图形系统。具有几何造型、气动、动力特性、性能、重量、电磁散射等特性计算分析能力。CADS可借助iSIGHT进行优化设计。OpenCADS在CADS上进行了改进和创新开发,侧重于民机设计。两个软件被用在北航的飞机设计教学中。

  【兴迪源机械简介】

  兴迪源机械(Xingdi Machinery)是一家专注流体压力成形技术的锻压设备制造企业。自2007年创立以来,兴迪源机械一直致力于内高压成形的技术创新和产品研发。主营产品范围从生产普通液压设备,现今发展至生产、研发国内顶尖流体压力成形技术的锻压设备。

XD-THF系列金属管材内高压成形设备

  目前,兴迪源内高压成形智能设备已运用在制造航空、航天、核电、石化、汽车、摩托车、自行车业的沿构件轴线变化的圆形、矩形或异形截面空心构件以及管路配件的生产制造中。同时也适用于生产航空飞行器上轻体构件有空心结构框架、发动机上中空轴类件、进排气系统异型管和复杂管件等。