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飞机设计中的数字样机技术

郑党党;张志国;刘俊堂

【摘要】从CAX工具的单点应用发展到数字样机是数字化技术的飞跃.介绍了数

字样机技术的产生和发展历程,对比分析了数字样机技术对飞机设计流程的影响,给

出了飞机设计中几何样机和性能样机的概念及其用途.

【期刊名称】《航空制造技术》

【年(卷),期】2016(000)005

【总页数】4页(P83-86)

【关键词】虚拟样机;数字样机;几何样机;性能样机

【作者】郑党党;张志国;刘俊堂

【作者单位】中航工业第一飞机设计研究院,西安710089;中国国际工程咨询公司,

西安710089;中航工业第一飞机设计研究院,西安710089

【正文语种】中文

随着计算机技术的发展，数字化技术的应用越来越广泛，各类计算机辅助技术

（CAX）在产品设计中发挥着越来越重要的作用。随着数字化技术应用的不断深

入，产品设计正在由以CAX工具单点应用为核心的“设计数字化”向以数字样机

（DigitalMock-Up，DMU）为核心的“数字化设计”转变，数字样机技术成为

当前国内外研究的热点[1]。

数字样机技术的产生与发展

1虚拟产品开发与数字样机

20世纪80年代到90年代，计算机技术的飞速发展推动了数字化技术在飞机等复

杂产品研制中的快速应用。波音公司在波音777研制中引入虚拟产品开发技术

（VirtualProductDevelopment，VPD），采用数字化手段研制出世界上第一架

“无纸客机”，其中设计、装配、性能评价与分析大量采用了数字化技术，使得研

发周期大大缩短、研发成本显著降低，确保了最终产品一次接装成功[2]。

虚拟产品开发过程的核心技术是虚拟样机技术（VirtualPrototyping

Technology，VPT），即利用构建在计算机上、具有相当功能真实度的原型系统

代替物理样机，对其候选设计的各种特性进行测试和评价的一种综合性技术。按照

美国国防部建模和仿真办公室（DMSO）的定义，虚拟样机技术包括数字样机、

虚拟功能样机（FunctionalVirtualPrototyping，FVP）和虚拟工厂（Virtual

Factory，VF）3个方面[3]。

·数字样机，主要用于面向制造的设计，用于快速评估组成产品的全部三维实体模

型装配件的形态特性和装配性能；

·虚拟功能样机，对应于产品分析过程，用于评价已装配系统整体上的功能和操作

性能；

·虚拟工厂，对应于产品制造过程，用于评价产品的制造性能。

从研制流程上看，数字样机技术处于研制上游，是整个虚拟样机技术的基础和核心

（图1）。

2数字样机技术及其发展

国家标准GB/T26100-2010《机械产品数字样机通用要求》给出了数字样机的定

义：数字样机是对产品整机或具有独立功能的子系统的数字化描述，这种描述不仅

反映了产品对象的几何属性，还反映了产品对象的功能和性能[4]。

数字样机有不同的分类方法，按照产品完整性分为全机样机和子系统样机；按照数

字样机研制流程或生命流程阶段分为一级样机、二级样机和三级样机，其中一级样

机主要面向方案设计，二级样机主要面向详细初步设计，三级样机主要面向详细设

计和试制[5-6]。

相对于CAX等单点数字化技术，数字样机技术从系统的层面考虑产品研制过程的

数字化应用问题，是一项跨学科综合性技术，其内涵和外延也随着数字化技术应用

的深化而不断拓展。数字样机技术的应用可追溯到波音777研制中，波音公司采

用数字化技术构建了包含300万个零件的波音777数字样机模型，用以取代制造

物理样机，并基于数字样机进行零件装配干涉预检查和可达性、可维护性的仿真，

使得设计工程师和制造工程师可以基于数字样机开展并行工程，把飞机在制造、装

配和飞行过程中可能出现的问题尽量解决在制造前、装配前和试飞前[7]。中航工

业西安飞机设计研究所率先在国内飞机研制中采用数字样机技术，实现了三维外形

建模、三维结构设计、结构件和主要飞机系统件的预装配，最终建立了5万多个

零组件、43万标准件的全机数字样机，随后在大飞机研制中将数字样机技术应用

推向了更高的水平，实现了全三维并行协同研制[8]。

早期的数字样机主要基于CAD技术描述产品的几何结构及其相关的非几何信息

（设计尺寸、工艺、制造信息等），可用于设计检查和预装配分析，随后发展到运

动机构分析、人机功效分析