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仿真技术,为航空制造插上数字翅膀
原文作者:夏天宇 发布时间: 2016-11-24 09:46:41 新闻来源: 航空制造网
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  仿真技术是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域中有关专业技术为基础,以计算机和各种物理效应设备为工具,利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术,它综合集成了计算机技术、网络技术、图形图像技术、多媒体技术、软件工程技术、信息处理技术、自动控制技术等多个高新技术领域知识。

 

航空仿真技术

  仿真技术的研究和应用在航空领域内开展的较早而且发展也较快。早在50年代,在航空自动控制技术方面首先采用仿真技术,面向方程建模和应用模拟计算机的数学仿真获得了普通的推广,同时,采用三轴模拟转台的自动飞行飞机控制系统的半实物仿真试验研制和应用中。飞行模拟器分为两大类:一类是工程飞行模拟器,主要提供工程技术人员在型号研制中开发和使用;另一类是训练飞行模拟器,主要供定型飞机的飞行人员训练使用。

 


训练模拟飞行器

 

  科学家、工程师及操作人员可以通过利用各种仿真器在不同虚拟现实环境下对所研究的工程系统、先进结构、设计思想及控制方法进行仿真试验,从而取代繁重而昂贵的实际试验并能取得直接试验不可能取得的数据和结果。因此它对于大型复杂的工程系统工程和管理系统工程的概念验证、方案论证、预设计检验、试验分析、系统幻真实际探索、甚至开发小灵境技术的应用等具有极为关键的关键指导作用。实事上,仿真就是用数字模型代替或部分代替实际系统,通过所编写的系统仿真程序在计算机运行试验并取得试验结果以验证方案并指导设计与生产。因此,仿真技术的实用性在于可置信度,而关键取决于仿真建模的准确性。所以每种仿真都包括3个主要过程即建模、验模分析。而整个仿真技术又分为3种类型:

 

仿真技术类型

1、数字仿真

  通过建立的数字模型及所编写的执行程序在计算机上进行反复运行试验,而无需为模拟产生真实环境配备的各种物理效应设备亦即只用计算机来实现和评价真实条件下所探讨的事物特性。数字仿真可在实时、准实时或超实时条件下运行,尤其适于系统的研究开发、方案论证和设计阶段。

 


数字化仿真技术

 

2、半实物仿真

  它通过将研究系统的部分实物(如各种传感器、机载计算机、操纵及其伺服机构等)接人到仿真回路进行试验,因此除计算机外还要求配备相应形成传感器测量环境的各种设备,而飞行器动力学等被控对象的动态特性仍需通过建立的数字模型在计算机上运行,在整个样机尚未全制出就可利用仿真回路对所研制的部分实物进行评定,根据仿真试验结果进行修改、优化或定型这种仿真试验要求必需实时运行。

 

半实物仿真

 

3、人在回路中的仿真

  即人/机系统的仿真,它将操作员作为一个环节包含于仿真回路中并进行操作,为了产生真实感觉,这种仿真试验要求配置能形成人感觉环境的各种物理效应设备。通过这种试验能对飞行器性能、回路操作人员的技能和素质以及整个人/机界面作出评价。它也要求实时运行。

 


虚拟现实

 

仿真技术在航空领域的应用

  21世纪的仿真技术已广泛用于国防领域的武器研究、作战指挥、军事训练以及民用领域的能源、工业生产与制造、农业、医学、气象预测等各个方面,航空仿真应用就是其中发展快、应用广的典型。

  随着航空事业的发展,现代飞行器上正采用越来越多的高新技术,从而使其性能不断地提高,结构与系统更加复杂化,这就为研制工作带来更大难度,航空仿真技术正在充分利用现代计算机技术,伴随着计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助试验等技术而同时发展起来并成为改进飞行器设计、优化结构中的最得力最经济最有效的一种试验手段和工具,航空仿真技术不仅能用于新型号飞行器的方案论证、任务规划、工程设计、生产制造、学科研究、战术研究而且还可用于故障诊断、飞行训练、维护与管理等。

 

1、虚拟样机

  虚拟样机是一种基于仿真的设计,包括集合外形、传动和联结关系、物理特性和动力学特性的建模与仿真,即通过计算机“制造”出来的一架样机,即通过计算机“制造”出全机数百万个零件并将其装配、组合、调试。在整个过程中,人们可以评估其设计特性,并进行修改使之协调、完善和优化。波音777飞机采用虚拟技术获得了无图纸设计和生产的成功使的由300万个零件组成的这架飞机设计没有一张图纸,没有一架物理样机,这是一场革命。采用虚拟技术建立的虚拟样机,不仅易于改变和优化设计方案,使产品设计满足高质量、低成本、短周期的要求,而且提高了产品的更新换代速度和市场的竞争力。

 

虚拟样机

 

2、虚拟制造

  虚拟制造是实际制造过程在计算机上的实质体现,既采用计算机仿真与虚拟技术,通过仿真模型在计算机上仿真生产的全过程,实现产品的工艺规范,加工制造、装配和调试并且预估产品的功能、性能和可加工性等方面存在的问题。虚拟制造由虚拟的物理系统(即虚拟的机床、工夹具、加工体、机器人等)、虚拟的信息系统(即虚拟的计算、调度、管理、数据、报表)和虚拟的控制系统(即虚拟的各种控制器、控制计算机)所组成,虚拟制造从本质上讲就是利用计算机生产出虚拟产品。

 

虚拟制造

 

3、虚拟空战

  在未来的战争中,空战将是最具有实质性的,海湾战争、科索沃战争就说明了这一点。歼击机的空战过程可划分为超视距、视距内和近距作战,作战距离越近,其机动性越大。现代空战作战过程是由机动飞行的载机实施对机动飞行的目标的搜索、探测和跟踪,瞄准后发射机动飞行的导弹去攻击目标,即所谓“三机动”---机动飞行的载机发射机动飞行的导弹去攻击机动飞行的目标。利用建模与仿真将此“三机动”的过程进行逼真地描述和演示即为虚拟空战。

 

虚拟空战

 

4、生产线仿真技术

  随着商用化的离散制造仿真软件的出现,欧美等发达国家将生产线仿真软件广泛用于航空航天等行业,在航空领域,以波音、空客为代表的航空公司对生产线仿真技术的研究及应用已发展成熟。20世纪波音公司就对生产线建模仿真进行了大量的研究,并得到成功应用。1994年,Harold对飞机装配过程建立了模型,仿真优化了人员配置等问题,随后在2000年,波音公司Heike等对飞机混合装配过程进行了建模仿真,分析了装配工作站循环时间与现场资源、成本的关系、空客公司为了评估车间的产能,对A340-600、A340及A330飞机机翼装配线的工艺流程进行了仿真优化。2007年,空客公司在A380的研制过程中,对其飞机机翼翼盒结构第一阶段装配进行了工艺流程仿真分析,并找出了物流系统及装配工艺流程的瓶颈问题。此外,罗·罗公司在航空发动机装配线方面,利用生产线仿真技术进行仿真优化。

 


生产线仿真技术

 

国际仿真技术现状

  在美国,当前的仿真器组成主要包括教员座舱控制台、座舱接口、视景系统、控制加载系统、运动系统、音响系统以及计算机系统。

  通常各大飞机公司和各兵种都是采用两结合的方法:即从各仿真器或计算机公司购买现成的仿真器硬件和计算机硬件设备,而由自己研制专用的仿真器控制系统软件,采用这种方法研制成的仿真器都比较实用的。典型而比较先进的仿真器有全任务飞行仿真器、野战训练仿真器、直升机仿真器,多机空战仿真器等。为了产生逼真的飞行环境仿真效果,各仿真器公司都在投入大量人力、物力研究和改进座舱及其视景系统。目前比较常用的有注视区视景系统、激光投影视景系统、头盔视景系统等。代表当今最先进的座舱视景系统是美国空军的超级座舱计划。该计划共分为3个阶段:第一阶段从1990年初开始研究1号超级座舱,主要是头盔瞄准火力控制及全向、夜视头盔投影式平视仪;第二阶段从1993年初试验2号超级座舱,主要增加了三维全景显示,并综合了头、眼和话音控制;第3阶段,从1996年开始试验3号超级座舱,主要是进一步增加触敏控制及反馈、增加人工智能专家系统,实现电子助手以及监视驾驶员安全并提高效率的系统。3个阶段完成之后就可以实现以驾驶员为中心充分利用其视觉、听觉和触觉。

 


仿真座舱

 

  除美国外,其他国家在仿真与建模技术在航空仿真技术上也都取得了一些具有国际先进水平的成果。比如英国在计算流体力学与复杂通信网络建模方面、改进模型可靠性数据等方面居于国际领先地位,还有一些仿真器公司如雷迪飞森公司等也都生产出一批较先进的仿真器设备;加拿大在动态训练方面居世界领先地位。如其LXH直升机作战任务仿真器具有很高技术水平。它的CAE工业有限公司新近获得美国辛格公司的5个仿真分公司中的4个;法国及汤姆逊-CSF公司在航空仿真器制造方面也具有很强能力,如研制出幻影2000全任务飞行仿真器等;德国在利用仿真技术研究自动化空对空作战所使用的综合火力自动导向装置,用来支持欧洲战斗机计划等;俄国广泛使用仿真与建模技术进行军事演习和武器研究,在军事演习与知识库建立方面也居世界先进水平。

 


虚拟仿真技术

 


飞机仿真器

 

仿真技术发展中重要的问题

  尽管人们对全数字仿真已经做了很多的研究工作,各种适用于仿真的计算机和软件不断涌现。但这些工作还仅限于硬件和软件工具的准备,对于系统仿真来说还需大量的工作要做,某些方面的工作至今还很薄弱。

  1、系统仿真中最有吸引力的是“人或实物在回路中”的仿真,因为这种仿真系统最能真实地反映系统的特性。为此必须要求仿真过程是实时的,尽管现今的许多计算机都配有实时操作系统,但实时处理中的“实时”与实时仿真中的“实时”是不同概念,在可允许的时间内对多个用户进行服务;而实时仿真是仿真系统的运行过程与被仿真的真实系统在时间上一致,这就要求计算机必须足够快的运算速度和数据采集速度,并且要求帧时可以控制,为此对现有计算机的系统软件往往需要加以改造。

 


人在回路仿真系统

 

  2、建立一个完美的仿真系统是一项复杂的系统工程,特别是对于“人或实物在回路中”的仿真系统,最困难的问题是建立实物和环境的仿真设施,例如:为了红外制导和光电制导的导弹进行半实物仿真,必须建立红光仿真系统和光电仿真系统;为研究飞机性能或训练驾驶员而建立的飞行仿真器则必须有视景和驾驶员操作环境的模拟设备等。这些设备本身很复杂,且专用性强,需花大力气才能完成。

 


飞行仿真器

 

  从进入计算机数字化仿真阶段以来,仿真技术在解决科学研究、系统设计、生产控制和训练等方面都发挥了重要的作用,在新世纪,全数字的仿真技术必将得到更长足的进步。