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用數(shù)字孿生迎接航空航天工業(yè)的未來
2021-01-06
你應(yīng)該沒親身經(jīng)歷過五十年前世界上第一架超音速客機首飛帶來的精彩時刻，但在不遠的將來，你還有機會去體驗搭乘純動力飛機的旅程。
這絕不是黃粱美夢，事實上，隨著新技術(shù)的不斷涌入，純電動、混合動力、超音速私人飛機等新型航空器的發(fā)展勢頭超出想象。當然，更多的機遇代表著更大的挑戰(zhàn)：愈加緊張的交付期，更加嚴苛的節(jié)能減排監(jiān)管，以及更高的舒適度和可靠性的要求?？梢哉f，面對新技術(shù)飛速變化并且應(yīng)用場景日趨復(fù)雜，當今的航空界以及航天界必須加快創(chuàng)新能力，并解決與制造供應(yīng)鏈中的協(xié)同等挑戰(zhàn)，才能滿足日益增長的各方需求。
這樣，問題就來了，航空航天工程究竟要如何改變才能應(yīng)對這些挑戰(zhàn)？
航空以及航天工程都是龐大且長周期的大工程，涉及到多學(xué)科、多部門、多階段（研發(fā)、制造、實驗、認證）的協(xié)同，更是需要經(jīng)歷設(shè)計方案迭代、制造、試驗、認證的復(fù)雜過程。而另一方面，加速創(chuàng)新又是航空航天企業(yè)贏得市場的首要推動力，并且往往要面對在實驗室中都難以實現(xiàn)的條件下，設(shè)計并創(chuàng)造產(chǎn)品。這些都促使企業(yè)必須實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，轉(zhuǎn)向通過數(shù)字化支撐來提高設(shè)計、生產(chǎn)和運營效率，更快地交付復(fù)雜度和性能不斷提升的新產(chǎn)品。換言之，航空航天企業(yè)必須轉(zhuǎn)向下一代工程模式：數(shù)字孿生，將實體環(huán)境與數(shù)字環(huán)境融合為一，才能在激烈的環(huán)境中保持競爭力。
數(shù)字孿生，是物理實體的數(shù)字映射系統(tǒng)，能夠反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程，并根據(jù)產(chǎn)品的行為和變化而不斷演化。對于航空航天工程，數(shù)字孿生方法有助于更精確地設(shè)計和制造，允許工程師根據(jù)實時的系統(tǒng)反饋來評估性能和運行狀況，并最終使產(chǎn)品變得智能且自動化。近年來，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)成為航空航天業(yè)發(fā)展的必要手段。
西門子助力航空航天工程的成功
對于如何創(chuàng)建完整數(shù)字孿生，西門子深諳其道。眾多航空航天企業(yè)利用Siemens Digital Industries Software工具和解決方案為其產(chǎn)品及性能構(gòu)建了數(shù)字孿生，對縮短項目周期、提升性能和降低成本起到了重要作用。這其中主要包括但不僅限于：面向機電液多學(xué)科設(shè)計的NX，多學(xué)科仿真分析試驗解決方案Simcenter的軟件產(chǎn)品組合（從工程設(shè)計角度而言，Simcenter應(yīng)有盡有，譬如Simcenter Testlab、Simcenter Amesim、Simcenter 3D、Simcenter Nastran、Femap、Simcenter STAR-CCM+、HEEDS等等），以及支撐產(chǎn)品全生命周期業(yè)務(wù)協(xié)同的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺解決方案Teamcenter等等。
這里僅對諸多成功案例進行管中窺豹式的速覽，從結(jié)構(gòu)、空氣動力學(xué)、系統(tǒng)性能、熱管理到驗證和認證管理的角度，來看數(shù)字孿生技術(shù)是如何打破創(chuàng)新壁壘，加快航空產(chǎn)品開發(fā)過程的。
結(jié)構(gòu)強度性能工程
吉凱恩航宇?？似鹇浼芄緫?yīng)用 Simcenter Amesim和Simcenter 3D Motion設(shè)計了安全可靠的起落架，并使流程節(jié)省了30%的時間。上海航空器適航審定中心（SAACC）通過使用Simcenter成功確立了C919起落架系統(tǒng)的剛?cè)岫囿w動力學(xué)仿真模型，幫助認證專家改進分析確認和適航審定效率。
空氣動力性能工程
皮拉圖斯 PC-24團隊，得益于Simcenter工具的支持，成功創(chuàng)建了業(yè)內(nèi)第一個精確的數(shù)字孿生，實現(xiàn)了并行開發(fā)，使新開發(fā)的 PC-24 在歷史最短時間內(nèi)飛上藍天。
系統(tǒng)性能工程
空客直升機使用 Simcenter Amesim和Simcenter工程設(shè)計對液壓、燃料和電氣子系統(tǒng)，實現(xiàn)了實時仿真，大幅減少了設(shè)計時間、原型成本和測試時間。
西門子電動飛機項目團隊則通過Simcenter產(chǎn)品組合，構(gòu)建了數(shù)字雙胞胎和物理測試，快速實現(xiàn)了電動飛機的開發(fā)。
集成測試驗證和認證
通過Simcenter產(chǎn)品組合中的行業(yè)標準測試方案，西門子電動飛機團隊的Extra 330LE項目，成功完成了集成測試和認證，同時縮短了測試數(shù)據(jù)的觀察時間，加快了實驗數(shù)據(jù)分析。
熱管理
空客A320 neo飛機利用Simcenter STAR-CCM+聯(lián)合HEEDS，實現(xiàn)了在遠離地面 30,000 英尺的外部高空環(huán)境下，提供舒適的內(nèi)艙氣候，并利用尋優(yōu)設(shè)計過程，在兩周內(nèi)就完成了更好的ECS設(shè)計，減少了90%的周轉(zhuǎn)時間。
以上諸多成功經(jīng)驗，無一不是建立在數(shù)字孿生的基礎(chǔ)上，對CAE和PLM的深度應(yīng)用，這些企業(yè)也都將數(shù)字孿生技術(shù)視為取得項目成功的關(guān)鍵要素和核心競爭力。
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