盤點：航空制造業(yè)各領(lǐng)域低調(diào)卻驚艷的軟件（上）

2016-08-08 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

航空制造業(yè)擁有一百多年的發(fā)展歷史,隨著外部形勢和環(huán)境條件的變化,其涉及面已十分廣泛,按大類可分為數(shù)控加工、鈑金成形、特種加工、表面工程、焊接、機械連接、飛機裝配、數(shù)字化制造、熱加工和增材制造十個領(lǐng)域。而現(xiàn)代航空制造技術(shù)在多學(xué)科、多領(lǐng)域的基礎(chǔ)上正朝著自動化、智能化、輕小型集成化的方向發(fā)展著,除了離不開這些領(lǐng)域加工制造技術(shù)的突飛猛進,也離不開其背后軟實力的發(fā)展。那么今天,小編就帶大家了解一下航空制造技術(shù)的軟實力,看看再航空制造領(lǐng)域都用了哪些低調(diào)而功能強大的軟件。

圖1 先進航空制造技術(shù)

在正式介紹軟件之前,先回答一個問題:在航空制造業(yè)發(fā)展之初,沒有這些強大的軟件,人們又是如何造飛機的?這里我們有必要講述一下航空制造技術(shù)的發(fā)展歷史,答案就在其中。

航空制造業(yè)的百年歷史

1初期發(fā)展階段

自萊特兄弟造出世界上第一架飛機到第一次世界大戰(zhàn)這段時間,飛機都是布木結(jié)構(gòu)的雙翼飛機,用一般內(nèi)燃機作動力,只需要簡單的木工和一般的機械制造技術(shù)就可以制造出來。

圖2 萊特兄弟的早期飛機(博物館還原模型)

圖3 萊特兄弟手工制造飛機

緊隨萊特兄弟創(chuàng)建第一家飛機公司之后,美國和歐洲迅速出現(xiàn)了其他一些飛機制造企業(yè)。在這一時期,這些企業(yè)的規(guī)模一般都比較小,近似于作坊。有些企業(yè)發(fā)展延續(xù)到現(xiàn)在,如洛克希德公司和羅羅公司等;而有些企業(yè)是經(jīng)過整合后發(fā)展,如布雷蓋公司和英國的幾家飛機公司;當然也有很多企業(yè)消失。這些企業(yè)和個人在世界航空制造業(yè)發(fā)展進程中發(fā)揮了重要作用。

圖4 羅羅公司早期生產(chǎn)線

2體系形成及二戰(zhàn)階段

第一次世界大戰(zhàn)使得(軍事)航空工業(yè)實現(xiàn)第一次大發(fā)展。全世界的企業(yè)數(shù)量達到約200家,航空發(fā)動機廠80家,戰(zhàn)爭期間生產(chǎn)的飛機和發(fā)動機數(shù)量分別為20多萬架和23萬多臺。

而二戰(zhàn)的巨大軍事需求刺激了世界(軍事)航空工業(yè)的第二次大發(fā)展,航空制造業(yè)也實現(xiàn)快速發(fā)展和持續(xù)擴張。戰(zhàn)爭期間空軍成為重要軍種,飛機性能迅速提高,參戰(zhàn)飛機數(shù)量大、種類多。飛機生產(chǎn)達到高峰,全世界總產(chǎn)量約100萬架。二戰(zhàn)期間,活塞發(fā)動機(軍用)飛機發(fā)展達到巔峰極限。得益于福特汽車的誕生和汽車行業(yè)的發(fā)展成果,飛機的生產(chǎn)制造和裝配也引進了流水線批量作業(yè)的概念,但自動化水平相對較低。

圖5 二戰(zhàn)時期波音B-29裝配線

圖6 二戰(zhàn)期間的洛克希德公司加州伯班克工廠

3噴氣動力時期

二戰(zhàn)后,軍用航空訂貨銳減,同時飛機由活塞動力向噴氣動力跨越,航空制造業(yè)再一次經(jīng)受嚴峻考驗。隨著噴氣技術(shù)的發(fā)展,飛機性能、可靠性、經(jīng)濟性、效費比要求的提高,以及新材料、新結(jié)構(gòu)的大量涌現(xiàn),飛機生產(chǎn)對制造技術(shù)提出更加苛刻的要求。與二戰(zhàn)時期相比,航空制造技術(shù)的自動化水平日益提高,人的作用逐步被機械和軟件所取代。

圖7 F-22戰(zhàn)斗機裝配車間

圖8 噴氣飛機生產(chǎn)線

4現(xiàn)代航空制造業(yè)

現(xiàn)代航空制造技術(shù)是集現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果之大成的制造技術(shù),遠遠高于一般機械制造技術(shù)。由先進的航空制造技術(shù)支撐的航空工業(yè)被譽為工業(yè)之花,它集中代表了一個國家的最高制造業(yè)水平和技術(shù)實力。

圖9 現(xiàn)代航空制造技術(shù)的自動化裝配

圖10 先進航空制造技術(shù)中的自動化加工技術(shù)

而這些高精尖的技術(shù)的實現(xiàn),除了過硬的硬件條件保障,同時也離不開應(yīng)用日益廣泛的航空制造軟件的背后支撐,這里面用到的軟件也是五花八門,多種多樣。這些軟件有多么神奇?功能有多么強大呢?下面小編就以這十個領(lǐng)域為主,帶大家領(lǐng)略一下這些軟件的神奇吧。

數(shù)控加工

Mastercam是美國CNC Software Inc.公司開發(fā)的一款軟件,不但擁有強大的數(shù)控編程、三維實體造型等功能,還有強大的曲面粗加工和精加工功能,特別是其刀具路徑校驗功能能夠檢查出刀具和夾具與工件的干涉、碰撞情況,在各類銑床、車床和線切割等數(shù)控加工場合應(yīng)用廣泛,為預(yù)加工提供了良好的環(huán)境。

圖11 Mastercam軟件封面

圖12 Mastercam設(shè)計數(shù)控加工路徑

PowerMILL是英國Delcam Plc公司出品的一款功能強大、加工策略豐富的數(shù)控加工編程軟件,從數(shù)控加工的工程概念出發(fā),能夠?qū)嶓w模型全自動處理,且編程操作的難易程度與零件的復(fù)雜程度無關(guān),易于粗、精加工的全自動化。該軟件還能檢查和排除運動干涉,計算刀具路徑時間,從而為用戶提供完善的加工策略,提高加工效率。

圖13 PowerMILL軟件封面

圖14 PowerMILL提供完善的加工策略

鈑金成形

Autoform是德國Autoform工程公司開發(fā)的一款專門針對金屬成形工業(yè)中板料成形的軟件,特別適合于復(fù)雜的深拉延河拉伸成形設(shè)計、沖壓工藝和模面設(shè)計的驗證、成形參數(shù)優(yōu)化、耗材最小化設(shè)計、拼焊板和復(fù)合板的評估優(yōu)化等。約90%的沖壓和飛機零件制造商都用它來進行產(chǎn)品開發(fā)、工藝規(guī)劃和模具研發(fā)。

圖15 Autoform軟件封面

圖16 飛機薄壁結(jié)構(gòu)沖壓成形設(shè)計

Pam-stamp是一套專門用于鈑金成形仿真的軟件系統(tǒng),由法國的ESI公司開發(fā),迄今為止是世界上唯一整合了有限元模擬求解方案的成形軟件。該軟件易于上手,能夠?qū)崿F(xiàn)模具設(shè)計可行性分析、快速成型模擬、回彈預(yù)測、回彈自動補償、模具型面輸出等功能。

圖17 Pam-stamp軟件封面

圖18 飛機結(jié)構(gòu)成形仿真

出自一個體系,與Pam-stamp堪稱姐妹花的另一個模塊,Pam-tube能夠?qū)Ω鞣N彎曲比例的復(fù)雜管材進行成形仿真,包括彎曲成形和液壓成形,在飛機的管路制造上應(yīng)用廣泛。

圖19 Pam-tube廣泛應(yīng)用于飛機管路制造仿真

特種加工

FastCAM是一款全自動的共邊連割套料軟件,主要應(yīng)用于特種加工中的火焰、等離子、激光和水刀等切割編程。在處理時可自動實現(xiàn)共邊,即通過合理排布使得每個矩形零件少切一條或兩條邊,有效減少切割行程,借助切割邊緣預(yù)熱,縮短預(yù)熱時間以及提高切割效率,同時減少零件間的切割間距,提高材料利用率。

圖20 FastCAM軟件封面

圖21 FastCAM軟件設(shè)計界面

Band5 WEDM是一款專為快走絲線切割自動編程的軟件,能夠兼容目前市面上各種常見的線切割系統(tǒng)。只要用鼠標繪制出要加工的圖形,就能立即生成加工代碼,代碼可直接傳送至機床控制臺,節(jié)約大量時間;同時該軟件擁有強大的零件查找功能,幾秒鐘就能在數(shù)以千計的加工零件中找到目標。

圖22 Band5 WEDM軟件封面

圖23 Band5 WEDM設(shè)計線切割路徑

表面工程

SimCoat軟件主要用于對材料表面噴射涂層工藝的建模和仿真,快速而精確地獲得涂層信息,如厚度、粗糙度、孔隙率等,幫助用戶制定合理的噴射涂層工藝,選擇不同種類的液體和熔化金屬涂層,確定最佳的參數(shù)特征(如液滴噴射速率、尺寸分布、液體溫度和基片溫度等)。該軟件分析速度快,普通電腦上1cm2的噴涂在一小時內(nèi)可以得到精確結(jié)果。

圖24 SimCoat對涂層的仿真分析

Chemkin軟件最早由美國Sandia實驗室開發(fā),經(jīng)過多年不斷發(fā)展日趨完善,成為一款用于求解復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)問題的軟件,在表面工程中常用于催化過程、化學(xué)氣相沉積、等離子體及其他化學(xué)反應(yīng)的模擬。該軟件以氣相動力學(xué)、表面動力學(xué)和傳遞過程三個核心軟件包為基礎(chǔ),提供了21中常見化學(xué)反應(yīng)的模型及后處理程序。