虚拟仿真技术：航空发动机自主研制的加速器
导读过去五年，中国的现代制造业发生了翻天覆地的变化，中国制造的变化和创新速度让世界惊奇，其中很重要的一个原因就是中国制造搭上了第四次工业革命的快车，实现了工业化与信息化的有效融合。中国航空发动机产业能否紧跟时代步伐，中国航发能否在尽可能短的时间内完成肩负的历史重任，虚拟仿真、智能制造与传统制造模式的融合运用是未来技术创新的重要支撑之一。
什么是虚拟仿真? 虚拟仿真旨在提供一个强有力的数字建模与仿真环境，使产品的规划、设计、制造、装配、试验、维护等均可以通过计算机实现，为产品全生命周期的各个阶段提供支持，帮助企业能够在设计阶段就对产品制造的全过程进行虚拟集成，预测、评价产品性能和制造可行性，达到产品开发周期与成本最小化、产品设计质量最优化以及生产效率最大化。
虚拟现实技术的发展与融入，为数字化仿真补充完善了人机工程学分析、沉浸式交互操作等关键技术;物联网、云计算、高性能计算机的发展，为虚拟样机可行性、可信度分析验证和远程异地协同提供了有力支撑。
为什么航空领域对虚拟仿真如此关注? 先看个例子 波音777整机设计、部件测试、整机装配以及各种适航标准环境下的试飞，均得益于虚拟仿真相关技术的应用，其开发周期从过去的8年缩短到5年，波音787进一步实现了全球协同虚拟制造。更重要的是，虚拟制造极大地促进了波音公司飞机设计能力的提升。
· 虚拟样机替代物理样机，使设计方案修改更加便捷、灵活。
· 在产品研制过程中，虚拟样机实现了整机规模的评审、跨系统干涉检查，改变了传统的交流模式，提高了不同学科、不同部门、不同供应商之间的协同设计、评审的效率。
· 变“后实物验证”为“先虚拟体验”，避免将设计缺陷带入后续研制阶段，大大减少反复更改活动，使设计一次成功成为现实，有效地降低了成本、缩短了研制周期。
虚拟仿真为航空发动机研制加速 我们来看看航空发动机研制的周期和成本问题：
01、客观周期长
每一代发动机都要一步一个脚印，走过论证、设计、仿真、样机、定型、批产、使用、维护等多个阶段，这是航空发动机产品自主研制的客观规律。
02、过程反复多
产品设计中的许多装配、性能问题往往要到样机制作才能暴露出来。传统模式下，人们被迫通过物理样机的反复试制来优化设计方案，每一次“反复”消耗的都是“真材实料”，不仅面临时间和成本的严峻考验，还给设计方案的最优化带来了重重阻力。
航空发动机领域的竞争就像是一场马拉松比赛，没法抄近路，我们只能不断地加速前进。该有的阶段一个都不能少，只能从减少过程反复上下功夫。从“仿真”阶段入手，运用数字化虚拟手段预先解决后续阶段中的现实设计问题，提高设计能力、缩短周期和降低成本成为航空发动机领域重点研究的方向之一。
虚拟仿真在航空制造业的成功应用给了我们指引，但是相对于飞机整机制造而言，航空发动机的结构和性能要求更加复杂，其研制过程中装配难度更大，虚拟仿真如何为航空发动机的设计优化、研制提速提供便利呢?
虚拟仿真如何加快研制进程? 虚拟仿真在航空发动机领域应用的成功程度，取决于其对真实状态模拟的逼真程度。
当前我国航空发动机领域虚拟仿真应用的重点研究方向是，进行产品的虚拟设计、装配与维修仿真和产品加工过程仿真等，主要是研究如何生成可信度高的产品虚拟样机，在产品设计阶段能够以较高的置信度预测所设计产品的最终性能和可制造性。
01、虚拟设计
三维空间布局设计给技术人员带来更加直观的体验，也使空间设计精度更高，方便进行工位级的全方位详细布置设计。同时，三维虚拟设计成果作为一个仿真平台，拓展性好，可以进行其他工艺过程模拟、综合指标分析等工作。
02、虚拟装配与维修仿真
虚拟装配充分利用了虚拟现实、CAD等技术的优点，通过计算机以可视化方式研究和解决装配的可行性、可达性，验证装配工艺设计的合理性，及时发现各种结构性和空间性问题，并对工艺方法、工装结构和生产线布局等进行修改和优化。维修与装配密切相关，虚拟维修突破了设备维修在空间和时间上的限制，可以实现逼真的设备拆装、故障维修等操作，并进行可维修性分析与评估。
03、生产工艺仿真
虚拟生产工艺仿真能够在三维沉浸感的虚拟环境中，真实再现一个具体的工艺过程，并且允许用户实时操作工艺设备或改变相关参数。例如，针对金属材料热成形过程的技术难点，从材料成形理论分析入手，通过对材料成形过程进行动态仿真，使得基础理论能直接定量地指导金属材料热成形过程，并预测不同条件下成形后材料的组织、性能及质量，以及加工过程中可能出现的加工缺陷等，进而优化设计、最大限度发挥材料性能潜力。
04、虚拟性能仿真
随着虚拟现实技术与高性能计算机及算法的发展，虚拟环境中的建模技术趋于数字实体化，将模型置于贴近真实的虚拟环境中进行控制、仿真和分析，可以直观、方便地进行动态和稳态性能仿真。
05、异地协同仿真
三维虚拟设计、生产工艺仿真、虚拟装配与维修仿真等，均是实现远程异地协同的基础。航空发动机设计是一个多层次动态多变耦合协同设计/仿真过程，需要多个厂所共同协作才能完成，虚拟制造系统可以提供协同仿真与优化环境，将异地的、各具优势的研究开发力量，通过网络和视像系统联系起来，进行异地开发，更好地服务于IPT团队。
虚拟仿真的未来启示 1、虚拟仿真是研究与应用紧密结合的产物，更深入的建模技术与材料性能研究、多学科虚拟性能仿真、一体化工程虚拟样机综合仿真等，均是未来的研究发展方向。
2、纵观工业领域各种技术的发展与应用，大都有一个从非标准化到标准化的发展过程，虚拟仿真同样需要更加完善、统一的数据接口、评估与验证标准等。
3、如何使地理上分布于世界各地的设计、工艺以及制造人员参与到产品设计及验证过程中来，建立基于Internet 的协同虚拟环境是并行工程与协同设计发展的必然趋势。
虚拟仿真的发展离不开信息化水平的提升，如达索的DELMIA、3D experience，西门子的Tecnomatix，伊萨的IC.IDO等软件或软件解决方案，均已在航空制造领域得到有效应用，GE也已开始布局Predix这个专为工业数据分析而开发的操作系统。但是软件服务商提供的只是工具，要实现虚拟仿真在航空发动机自主研制中的工程应用，我们必须进一步加强自身的信息化基础建设，构建完善的数据库，提升数据建模能力。
航空发动机的自主研制必须遵循产品研制的客观规律，每一个阶段都需要一步一个脚印走下去，我们要实现追赶，必须尽可能地减少研制过程的“反复”，追求设计能力的提升，追求一次性把事情做对，坚持创新驱动发展战略的同时，必须要保持一种大胆开放、合作共赢的姿态，在颠覆性创新技术上勇往直前。
来源：中国航发(ID：AECC-2016)
作者：陈韬
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