摘  要：構建新一代航空CAE基礎平臺，已經成為航空院所數字化深入發展的關鍵技術。必須深刻吸取厲史的經驗與教訓，在行業內緊密結合國家的工程實踐，精心組織、精心規劃、精心實施，才有可能攀登新的技術高峰。

關鍵詞：航空工業；CAE；基礎平臺

 

1 航空CAE的新機遇

航空CAE作為先進航空數字化設計、制造的基礎與核心支撐技術，是計算結構力學、空氣動力學、流體力學、材料力學、電磁學、機械制造與自動控制等專業學科在空天工程領域的集成應用。伴隨中航工業60年的巨大發展，伴隨著多種新的飛機型號藍天翱翔，中航工業在國際上贏得了越來越多的話語權，樹立了爭創“世界一流”的夢想、勇氣與物質基礎。新一代航空發動機、民用與軍用大飛機、重型直升機與特種飛行器等，集中體現出中華民族的國家意志與時代要求，有了鼓舞人奮進的發展藍圖。航空CAE領域始終聚集著強大的科技精英群體，在各個專業領域自主創新，艱苦攻關，其業績可驚天動地，為譜寫共和國蘭天輝煌，輻射著光和熱。但是，航空CAE的發展絕非一帆風順，過去經歷過許多從“零”開始，艱難而曲折，今天依然面臨著許多新的從“零”開始，新的機遇、挑戰與技術瓶頸共存。

 

2 嚴峻現狀與技術需求

近期，筆者到中航工業東、西、南、北、中的主要型號設計院所調研，清晰地看到：各個院所面臨任務重，時間緊，要求高。一切人在馬，弓在手，箭在炫。飛機設計從過去單一專業分析轉向多專業學科、多物理場的協同仿真；仿真任務從過去著重產品設計的某個階段轉向面對產品并行設計、制造、試驗與維護的全過程數字化技術；對于設計工程師，過去僅需要習慣地使用某專業軟件工具轉向適應新一代的工程集成應用的CAE基礎平臺。同時，要與國際先進設計制造技術接軌，要直接參與共同設計某些產品，這時，我們不得不面臨一個令人尷尬與嚴峻的現狀：我們前面近40多年在主計算機系統上建立的許多知名CAE系統與工具，伴隨著計算機快速升級換代，除個別專業軟件還能真正運行外，許多已經處于癱瘓或半癱瘓狀態，淡出主流用戶視線；甚至可以說，我們現在已經無主流國產CAE軟件作為核心支撐技術，只能別無選擇余地、大部或全部、一次又一次地重復采購或升級某些國外商用（“大路貨”）CAE軟件，而軍工同行還要面臨某些“禁運”的折磨。這種“癱瘓”引起的“地震”與“斷代”，使行業某些幾十年實踐創新、沉淀與傳承的成熟知識面臨失傳危險，對型號設計的創新及可持續發展，已經造成明顯的危害。面對新一代的數字化技術，這里似乎呈現著“其興也勃焉，其亡也忽焉”的周期律。今天航空CAE的現狀只是國家CAE發展的一個縮影:“老路難行，新高峰難攀”；它既有輝煌與成功，也有難以明言的困境。因此，今天各飛機設計院所不約而同地提出“構建基于知識工程的新一代航空CAE平臺”的技術需求，這正好反映出中航工業應對挑戰、突破數字化技術瓶頸的一種群體奮爭。此時，國內外工程應用軟件商雖然帶來了一些良莠不齊的技術解決方案，顯得“百舸爭流、百花齊放”。但是，“歷史的經驗值得注意”。參與創建第一代航空CAE基礎平臺以及國際航空科技合作的實踐表明，構建新一代航空CAE基礎平臺絕不是一觸而就、一個“買”字就能解決的事情，必須在中航工業領域緊密結合國家重大型號工程，精心組織、精心規劃、精心實施，才有可能攀登新的技術高峰。

 

3  科學發展才是硬道理

首先，要堅持科學發展觀，以科學方法構建符合航空數字化技術的CAE基礎平臺：

在構建平臺的方案階段，最重要的是要在國內外軟硬件環境可能的范圍內優選、評測，構成系統的基礎集成框架，以及那些可能構成基礎平臺的各個工程應用子系統與工具。

在構建平臺的實施階段，要認真結合實際型號對設計制造各個階段的任務包、流程包、智力資源（知識與工具）進行梳理、集成與二次開發。這里，有兩個法則是明白無誤的：一是要堅持改革開放、引進消化先進技術，提倡“拿來主義”；二是自主創新，“踏著巨人肩膀”攀登，好鋼用到刀刃，不做低水平重復。

在上世紀80年代國際航空科技合作中，我們經過國內外專家認真評測確定的某些基礎軟件與工具，直到今天依然是航空CAE發展的主流與核心支撐技術；與此形成鮮明對比，有些國產CAE軟件剛開發成功就面臨癱瘓，無疾而終。

因此，要構建航空CAE的基礎平臺，必須深刻吸取歷史經驗，既要求先進性、通用性與靈活性，也要求可移植性、可維護性、以及可擴展、可持續發展的前瞻性，不能大轟大嗡，瞎折騰，翻燒餅；要在行業內集中優勢資源、腳踏實地發展，不可能“大躍進”，也不可能東、西、南、北、中到處都能放衛星。

 

4 集中優勢資源攻關，固本求源創新

目前，中航工業各個飛機設計院所既然提出相同或相近的技術需求，那么，為了建立新一代航空CAE基礎平臺，行業應該并完全可以集中優勢資源，下大力氣、攻克行業某些帶共性的瓶頸技術，不做或少做低水平重復的事情：

(1) 刻不容緩的第一要務是建立起航空CAE基礎平臺的精益研制技術體系。這個體系由協同仿真、知識創新與工程質量管理的三大要件構成。沒有流程管理、過程控制、仿真數據管理及多學科仿真工具集成作為支撐，其數字化結果只能是電子垃圾。同樣，沒有有效、深厚的智力資源及成熟技術作為依托，要實現創新只能異想天開。工程質量管理就是要對型號設計與制造全過程嚴格地按照國際通行的技術標準、規范與數字協議進行控制與管理。

(2) 盡管各飛機設計院所的型號任務與關鍵技術不同，但是都在緊追國際著名標桿企業，逐步形成適合我國航空數字化研制的應用體系，并在多個重點型號研制中發揮重要作用。最突出的技術亮點就是全行業推行MBD（Model Based Define）技術，即全三維數字化設計技術。“基于模型定義”的并行產品數字化定義的內容包括飛機的功能模型（性能模型）、空間模型（幾何模型）、制造模型（工藝模型）和支持模型（維護模型）。這種MBD技術涵蓋了產品設計制造的整個生命周期。其中，面向設計和制造的空間模型與制造模型是較為成熟的技術基礎；支持參數化設計，建立飛機設計各階段、流程模型之間的相互依賴關系，實現飛機研制上、中、下游專業設計輸入與輸出之間的控制和約束關系，實現各模型之間的頂層規劃設計及關聯設計規范的定義，包括骨架模型和各接口的定義規則等。這里，骨架模型是飛機總體、氣動、結構與強度等專業進行設計與協同的結合部。打通骨架模型與各專業的數字化流程，正是目前刻苦攻關的重要課題，它可保證上下游設計數據一致性，設計更改的傳遞與更新。實踐表明，要在產品研制全過程實現MBD技術，必須解決面對整個行業的關鍵技術：建立基于MBD技術的定義標準和規范；建立基于全三維模式的CAE應用支撐平臺；建立基于全三維技術的工藝體系及檢驗體系；建立全三維模式下的制造裝備體系。

(3)快速建立各階段、流程的協同仿真的專業分析模型，實現相關的性能分析、優化與評定，是數字化技術深入發展的必要課題。快速的氣動分析、結構分析與強度計算，包括結構耐久性、損傷容限與疲勞分析與設計，無論對那一代型號，無論軍民機，都是不變的主題，有大量攻關的熱門共性技術。

(4)實施航空知識工程必需奮起追趕。一些著名的飛機設計專家曾總結到，要發展大飛機，必須首先突破許多關鍵技術，諸如大飛機總體設計技術、氣動特性預測方法等；以大飛機使用先進復合材料為例，波音、空客已經用到占機體結構總重的50％上下，而我們在新機研制中使用復合材料的總重在10~20％。雖然說，我們不能以某種材料的使用論成敗英雄，但是充分發揮先進復合材料優異的性能比，一直是提高型號技戰術性能所追求的關鍵技術。航空領域幾十年已經創造并積累了大量的智力資源與成熟技術，現在著手解決這一知識工程，與國外波音、空客相比，有些“亡羊補牢”，但也“猶未為晚”。

（5）航空制造工藝模型化、系列化與數字化技術，也急需建立面向制造工藝的數字化精益研制技術體系。產品高新性能是與新材料、新工藝的大量使用密不可分的。先進工藝只有通過先進CAE模型及虛擬制造，并輔之以少量必需的實物驗證試驗獲得。這里涉及的航空CAE技術，既傳統又新鮮，往往涉及非線性（或非常非線性）的結構分析。例如，高強易脆材料的大型整體構件的高速數控切銑工藝，機床與構件的顫振問題是首先要解決的工程力學問題；還有：加工過程熱傳導及變形分析與控制；多至數十個壁板槽腔的加工路線的選擇；各種工藝參數的確定與優化；既要研究解決復雜構件的整體分析，又要研究加工部位的細節分析等問題。這些力學數學問題，往往既需要理論創新支撐，也需要試驗與檢驗的實踐創新支撐，才能獲得新突破。

 

5 結論

總而言之，構建新一代航空CAE基礎平臺，是帶有全局戰略性質的技術目標，值得全行業的同仁們高度關注。

 

參考文獻：

[1]. 岳中第，“對CAE發展戰略的探討”，數字軍工，2009第8期；香山科學會議論文集，2008/12月。

[2]. 劉看旺，“全三維研制技術推動飛機研制體系變革”，航空制造技術，2011第1/2期，北京。

 

作者簡介：

岳中第研究員，政府特殊津貼專家。畢業于清華大學工程力學數學系。70年代年在中國飛機結構強度研究所從事航空結構分析系統研制。80年代曾參加中德航空國際科技合作，任CADEMAS專家隊副隊長。90年代，在北京航空制造工程研究所從事CIEM系統及CAD/CAE集成技術研究。曾獲得10項部級與國家級科技成果進步獎。

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—文章來自第七屆中國CAE工程技術分析年會論文集