用數字孿生迎接航空航天工業的未來
2021-01-06
你應該沒親身經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展勢頭超出想象。當然，更多的機遇代表著更大的挑戰：愈加緊張的交付期，更加嚴苛的節能減排監管，以及更高的舒適度和可靠性的要求。可以說，面對新技術飛速變化并且應用場景日趨復雜，當今的航空界以及航天界必須加快創新能力，并解決與制造供應鏈中的協同等挑戰，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對這些挑戰？
航空以及航天工程都是龐大且長周期的大工程，涉及到多學科、多部門、多階段（研發、制造、實驗、認證）的協同，更是需要經歷設計方案迭代、制造、試驗、認證的復雜過程。而另一方面，加速創新又是航空航天企業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的條件下，設計并創造產品。這些都促使企業必須實現數字化轉型，轉向通過數字化支撐來提高設計、生產和運營效率，更快地交付復雜度和性能不斷提升的新產品。換言之，航空航天企業必須轉向下一代工程模式：數字孿生，將實體環境與數字環境融合為一，才能在激烈的環境中保持競爭力。
數字孿生，是物理實體的數字映射系統，能夠反映相對應的實體裝備的全生命周期過程，并根據產品的行為和變化而不斷演化。對于航空航天工程，數字孿生方法有助于更精確地設計和制造，允許工程師根據實時的系統反饋來評估性能和運行狀況，并最終使產品變得智能且自動化。近年來，數字孿生技術已經成為航空航天業發展的必要手段。
西門子助力航空航天工程的成功
對于如何創建完整數字孿生，西門子深諳其道。眾多航空航天企業利用Siemens Digital Industries Software工具和解決方案為其產品及性能構建了數字孿生，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：面向機電液多學科設計的NX，多學科仿真分析試驗解決方案Simcenter的軟件產品組合（從工程設計角度而言，Simcenter應有盡有，譬如Simcenter Testlab、Simcenter Amesim、Simcenter 3D、Simcenter Nastran、Femap、Simcenter STAR-CCM+、HEEDS等等），以及支撐產品全生命周期業務協同的產品數據管理平臺解決方案Teamcenter等等。
這里僅對諸多成功案例進行管中窺豹式的速覽，從結構、空氣動力學、系統性能、熱管理到驗證和認證管理的角度，來看數字孿生技術是如何打破創新壁壘，加快航空產品開發過程的。
結構強度性能工程
吉凱恩航宇福克起落架公司應用 Simcenter Amesim和Simcenter 3D Motion設計了安全可靠的起落架，并使流程節省了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起落架系統的剛柔多體動力學仿真模型，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，成功創建了業內第一個精確的數字孿生，實現了并行開發，使新開發的 PC-24 在歷史最短時間內飛上藍天。
系統性能工程
空客直升機使用 Simcenter Amesim和Simcenter工程設計對液壓、燃料和電氣子系統，實現了實時仿真，大幅減少了設計時間、原型成本和測試時間。
西門子電動飛機項目團隊則通過Simcenter產品組合，構建了數字雙胞胎和物理測試，快速實現了電動飛機的開發。
集成測試驗證和認證
通過Simcenter產品組合中的行業標準測試方案，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，同時縮短了測試數據的觀察時間，加快了實驗數據分析。
熱管理
空客A320 neo飛機利用Simcenter STAR-CCM+聯合HEEDS，實現了在遠離地面 30,000 英尺的外部高空環境下，提供舒適的內艙氣候，并利用尋優設計過程，在兩周內就完成了更好的ECS設計，減少了90%的周轉時間。
以上諸多成功經驗，無一不是建立在數字孿生的基礎上，對CAE和PLM的深度應用，這些企業也都將數字孿生技術視為取得項目成功的關鍵要素和核心競爭力。
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