从6个数字孪生应用案例看飞行器领域的发展

Part 1

导言

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      飞机作为科技含量较高的大型复杂产品，对其物理实体的行为、状态进行捕获与预测是一项极具挑战性的任务。数字孪生技术是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，能够在虚拟空间对飞行器的现实行为进行实时、精准的模拟，从而深入推进对飞行器的研究。

      本期小编仅对诸多成功案例进行管中窥豹式的速览，从设计研发、制造装配、运行维护的角度，来看数字孪生技术是如何打破创新壁垒，加快航空产品开发过程的。

Part 2

数字孪生在飞行器领域的应用

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（1）用于飞行器的设计研发 

通过建立飞行器的数字孪生体，可以在各部件被实际加工出来之前，对其进行虚拟数字测试与验证，及时发现设计缺陷并加以修改，避免反复迭代设计所带来的高昂成本和漫长周期。

案例一

吉凯恩航宇福克起落架公司应用西门子 Simcenter Amesim和Simcenter 3D Motion设计了安全可靠的起落架，并使流程节省了30%的时间。上海航空器适航审定中心（SAACC）通过使用西门子Simcenter成功确立了C919起落架系统的刚柔多体动力学仿真模型，帮助适航审定专家进行模拟试验，从而大幅改进检验工作的认证效率和信心。

起落架性能工程

案例二

达索航空公司将3DExperience平台（基于数字孪生理念建立的虚拟开发与仿真平台）应用于“阵风”系列战斗机和“隼”系列公务机的设计过程改进，降低浪费25%，首次质量改进提升15%以上。

3DEexperience

（2）用于飞行器的制造装配 

在进行飞行器各部件的实际生产制造时，建立飞行器及其相应生产线的数字孪生体，可以跟踪其加工状态，并通过合理配置资源减小停机时间，从而提高生产效率，降低生产成本。

案例三

洛克希德-马丁公司在F-35中机身生产中建立了一个数字线索基础设施来支撑物料评审委员会进行劣品处理决策，通过数字孪生改进了多个流程，新流程可自动采集零部件数据并精准映射到数字孪生模型，进行实时、快速、精确分析，使 F-35 战斗机进气道加工缺陷的决策时间缩短 了33%。诺斯罗普·格鲁曼公司在沃斯堡工厂部署了Ubisense集团（UBI）基于数字孪生技术的“智能空间”解决方案，将现实世界中的流程和移动资产定量化并进行衡量，提前规划和调配制造资源，从而全面优化生产过程。据估计，应用数字孪生等新技术后，每架 F-35 战斗机生产周期将从目前的 22 个 月缩短到 17个月，且在 2020 年前将制造成本从目前 的 9460 万美元（F-35A）降低到 8500 万美元以下，降幅超过10%。

F-35战斗机进气道的数字孪生

案例四

空客公司通过在法国图卢兹工厂构建总装线数字孪生模型实现了 A350XWB 飞机增产提效。空客公司在关键工装、物料、零部件上安装无线射频识别系统，建立装配线的数字孪生模型，实现对数万平方米空间和数千个对象的实时精准跟踪、定位和监测，并借助模型优化运行绩效。目前，A350XWB、A330、A400M 等型号装配线不同程度地应用了数字孪生技术。

空客A350WXB图卢兹总装线

空客A400M总装线数字孪生

（3)用于飞行器的运行维护 

利用飞行器的数字孪生体，可以实时监测结构的损伤状态，并结合智能算法实现模型的动态更新，提高剩余寿命的预测能力，进而指导更改任务计划、优化维护调度、提高管理效能。

案例五

英国航空发动机制造商罗罗公司通过从客户那里收集实时发动机数据，再在“云”中模拟其性能，从而达到减少飞机不必要的维护和计划外停飞时间的目的。该公司声称已经为飞行员提供了如何更好地驾驶飞机的指南，并且利用飞机的飞行数据至少减少了超过2200万吨碳排放。

发动机数字孪生体

案例六

空客公司在A320 neo飞机上利用西门子Simcenter STAR-CCM+联合HEEDS，实现了在远离地面 30,000 英尺的外部高空环境下，提供舒适的内舱气候，并利用寻优设计过程，在两周内就完成了更好的ECS设计，减少了90%的周转时间。

热管理

Part3

总结

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众多航空航天企业利用数字孪生技术为其产品及性能构建了数字化孪生体，对缩短项目周期、提升性能和降低成本起到了重要作用，让我们用数字孪生体迎接航空工业的未来。

参考文献：

[1]Simcenter 新闻航空航天专刊

[2]孟松鹤,叶雨玫,杨强,黄震,解维华.数字孪生及其在航空航天中的应用[J].航空学报,2020,41(09):6-17.

[3]西门子数字孪生白皮书

[4] https://www.dassault-aviation.com/fr/

[5]http://news.rfidworld.com.cn/2017_12/a0a69e05dc947975.html

编辑：朱玉虎

校对：冯   莉

审核：王立行