计算机辅助设计的创新与变革

在过去20多年里,计算机辅助设计(CAD)已给飞机设计带来了变革性影响。
在过去20多年里,计算机辅助设计(CAD)已给飞机设计带来了变革性影响。

计算机辅助设计(CAD)从最初的设想发展至今,已走过了20多年,为民用航空发展做出了很多贡献。鉴于设计精度和成本效益等优势,CAD得到了显著发展。随着计算机集成技术的出现,CAD技术开始越来越多地应用于更复杂的设计任务。

二维和三维软件能通过确定设计、工程和制造各阶段的影响因素,模拟真实环境自动绘制图像,这不仅节省时间和成本,还能为工程师提供比手绘更精确的可视化图像。

此外,CAD软件开发商还在努力使软件更易上手,便于工程师在几周内精通CAD软件。现在,使用CAD软件更是工程师在制造、工程、维修等领域从事工程工作时的必备技能。近十年来,随着越来越多的快速成形和工装设备的发展,以及新型轻质材料的日趋流行,CAD软件在航空航天制造领域得到了稳步发展。

市场现状

当前,CAD市场的收入超过70亿美元,为航空航天业提供CAD解决方案的最大供应商主要有美国的Autodesk和PTC、德国的西门子和法国的达索系统公司,其中最受欢迎的是达索系统的CATIA产品。该产品集CAD、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助工程(CAE)功能于一体。CAM利用设计数据控制自动化加工,CAE可用于测试材料强度和疲劳寿命等特性。

另一款流行的软件是达索系统的SolidWorks,它最初起源于美国,后于1997年被达索系统收购。SolidWorks具有广泛的用户群,包括Taylor-Deal航空(TDA)维修企业和航电制造商EAD宇航等。达索系统公司认为CAD软件在功能扩展上已经发生了很大的变化,远远超越了简单的设计、建模,而是涵盖了机械、电气、校验和数据管理等多个方面。

适用于维修企业的软件

众所周知,CAD软件已经帮助飞机制造商大幅提升了制造能力,而今在飞机设计阶段也逐渐开始考虑维修性。达索系统公司认为,近年来最大的发展趋势是重视扩大下游工程,即产品全寿命周期中的工程活动,也被称为“软性制造”。重视下游工程包括技术出版物出版、相关检测、基于模型的定义和企业相关软件,以及维修手册的编写等。

因为CAD软件可以为设计工程师和负责开发维修手册的工程师提供协同环境。即设计工程师应在设计零件和组件的同时开发维修服务手册,并与通过SolidWorks, Catia 或其他CAD软件包导出的资源文档实现自动链接。这样除了能够更快速生成手册,还能使技术出版物的编写部门与设计工程部门保持持久关联,从而保证手册更新升级的及时性和手册的准确性。

通常维修企业也可以使用CAD和CAM软件开发能够更快速、高效地更换损伤部件的程序。目前,很多CAD软件供应商认为飞机维修业是其未来业务增长的主要市场之一。但维修企业也有些特殊性,其对于成本非常敏感,并且在多个项目并行时更愿意寻求相关解决方案。对此,软件供应商为维修企业推出许多术语类桌面订阅软件,允许用户根据需要在规定时间内购买更多的订阅服务。

产品寿命管理解决方案

除了CAM和CAE之外,CAD的另一分支是产品寿命管理(PLM),即将材料费、维修手册数据、适航指令、服务通告等文档与三维建模软件相结合形成一种新软件。虽然PLM是从CAD演变而来的,但它是涵盖了从飞机的设计阶段到飞机营销阶段整个过程的一种软件系统。

西门子公司自2007年收购UG(Unigraphics NX)解决方案以来,其PLM软件现已在市场上突显优势。UG软件最初是由美国飞机制造商麦道公司于上世纪70年代开发的,俄罗斯苏霍伊飞机公司曾将其用于苏霍伊“超级喷气”100的机身设计中。

西门子认为,制造商在早期设计阶段就考虑了零部件的可维修性,这使维修企业受益良多。例如,设计人员必须确保发动机维修人员能够访问到其维修所需的所有相关数据。而且通过软件在虚拟环境中模拟人机交互,可判断真实工作环境下工程师能否接近某个部件、能否轻松地将其修复或更换。也就是说,通过PLM软件用户能够在早期阶段了解到是否可以在不拆卸整台发动机的情况下实际接近这部分组件,提供一个认证预演。尽管这并不能取代实际的认证过程,但是客户可以利用这些信息证明其飞机通过了系统测试。

新趋势

在下一代飞机的制造中越来越多地采用了复合材料,致使CAD软件供应商也在调整其解决方案。因为复合材料机身与传统机身在强度、刚度、特性和工艺性上有明显不同,其机身修复就截然不同,所以对软件中的仿真工具也要求不断增多,而且需要将CAE集成于CAD软件包中,帮助制造商和维修企业完成最好的设计和准确地测试复合材料部件性能。

随着软件供应商逐步扩大CAD软件的功能范围,软件的性能和可访问性的局限性日趋突显。例如,考虑波音777等大组件的数字化设计时,由于该结构包含了300多万个部件,所以当用户执行打开文件或保存信息等操作时,CAD软件的运行速度比设计单个部件或由100个部件组成的组件更慢。

应用优点

通常,CAD软件升级的障碍是其可用性和升级成本,特别是对于一些规模小的公司而言这一问题尤为严重。不过近年来这一问题已开始有所解决。例如,软件的授权模式除了传统的固定价格购买模式,还引入了订阅模式,为用户提供租用软件或“按需支付”合同两种选项,价格范围从几百美元到5000美元不等。

CAD 软件能为航空制造商或维修企业带来实实在在的投资回报,被认为是CAD软件的主要优点之一。全球知名咨询公司TechNavio认为,通过使用CAD软件能够降低近80%的设计和研发成本。

但到底哪种CAD软件最合适于自身的需求,这是一个挑战。按照经验,许多公司会选择一个主CAD软件平台,可能是SolidWorks、NX或Creo中的任何一个,然后再选择一些其他辅助软件平台。甚至可能是将CAD软件与公司其他系统相连,如与PLM相连,直接开展从模拟到材料测试等一整套工作。

云计算的出现大大影响了CAD的发展。由于云计算使用户能够创建适用于移动办公人员的私有云和适用于远程访问的云应用。所以预计在未来几年内,云计算将进一步影响CAD的发展,并且这也会影响维修企业对CAD及相关程序的使用方式。

例如,在进行材料审查时,必须快速分析部件并判断其适航性,但是有些计算工具需要1~2小时才能完成,但如果利用云端的10台、20台甚至100台计算机则可在1~2分钟内得出结论。

另一方面,对于航空制造商而言CAD解决方案会进一步与其他平台集成使用,集设计、制造、工程及维修于一体。涵盖了产品从早期设计到产品寿命结束整个过程,使用户可以在项目的任何时刻介入,并能随时访问到需要的任何相关信息。总之,随着CAD软件功能的不断丰富,其在民用航空领域发挥的作用必将越来越大。

作者:航空维修与工程

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