過去五年，中國的現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化，中國制造的變化和創(chuàng)新速度讓世界驚奇，其中很重要的一個(gè)原因就是中國制造搭上了第四次工業(yè)革命的快車。中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)能否緊跟時(shí)代步伐，中國航發(fā)能否在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成肩負(fù)的歷史重任，虛擬仿真、智能制造與傳統(tǒng)制造模式的融合運(yùn)用是重要的支撐之一。我們需要充分的運(yùn)用信息化手段和智能制造理念來變革我們的制造模式，變革我們的設(shè)計(jì)思維，變革我們的保障方式，虛擬制造（Virtual |Manufacturing，VM）作為變革發(fā)動(dòng)機(jī)制造模式的重要技術(shù)方法之一，也是促進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制前進(jìn)的加速器之一。

虛擬仿真讓設(shè)計(jì)優(yōu)化更便捷

航空型號(hào)產(chǎn)品的自主研制必然要經(jīng)過論證、設(shè)計(jì)、仿真（虛擬試驗(yàn)）、樣機(jī)（裝配檢測與物理試驗(yàn)）、定型、批產(chǎn)、維護(hù)等這些階段。一方面，用戶需求在漫長的研制過程中存在變數(shù)，另一方面，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的許多裝配、性能問題往往要到樣機(jī)制作才能暴露出來。傳統(tǒng)模式下，人們被迫通過物理樣機(jī)的反復(fù)試制來優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，每一次“反復(fù)”消耗的都是“真材實(shí)料”，不僅面臨時(shí)間和成本的嚴(yán)峻考驗(yàn)，還給設(shè)計(jì)方案的最優(yōu)化帶來了重重阻力。

虛擬仿真旨在提供一個(gè)強(qiáng)有力的數(shù)字建模與仿真環(huán)境，使產(chǎn)品的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、制造、裝配、試驗(yàn)、維護(hù)等均可在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，為產(chǎn)品全生命周期的各個(gè)階段提供支持，幫助企業(yè)在設(shè)計(jì)階段就對產(chǎn)品制造的全過程進(jìn)行虛擬集成，預(yù)測、檢測、評價(jià)產(chǎn)品性能和制造可行性，達(dá)到產(chǎn)品開發(fā)周期與成本最小化、產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量最優(yōu)化以及生產(chǎn)效率最大化。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展與融入為虛擬制造補(bǔ)充完善了多目標(biāo)多學(xué)科物理仿真、人機(jī)工程學(xué)分析、沉浸式交互操作等關(guān)鍵技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展為虛擬樣機(jī)可行性、可信度分析驗(yàn)證和異地協(xié)同提供了有力支撐。

例如，波音777整機(jī)設(shè)計(jì)、部件測試、整機(jī)裝配以及各種適航標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的試飛均得益于虛擬制造，其開發(fā)周期從過去的8年縮短為5年，波音787進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了全球協(xié)同虛擬制造。更重要的是，虛擬制造極大地促進(jìn)了波音公司飛機(jī)設(shè)計(jì)能力的提升——虛擬樣機(jī)替代物理樣機(jī)，使設(shè)計(jì)方案修改更加便捷、靈活；在產(chǎn)品研制過程中，虛擬樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了整機(jī)規(guī)模的評審、跨系統(tǒng)干涉檢查，改變了傳統(tǒng)的交流模式，提高了不同學(xué)科、不同部門、不同供應(yīng)商之間的協(xié)同設(shè)計(jì)、評審的效率；變“后實(shí)物驗(yàn)證”為“先虛擬體驗(yàn)”，避免將設(shè)計(jì)缺陷帶入后續(xù)研制階段，大大減少反復(fù)更改活動(dòng)，使設(shè)計(jì)一次成功成為現(xiàn)實(shí)，有效地降低了成本、縮短了研制周期。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制加速關(guān)鍵應(yīng)用

相對于飛機(jī)機(jī)體制造而言，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能要求更加復(fù)雜，其研制過程中裝配難度更大，但是虛擬制造同樣為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化、研制提速提供了諸多可能性。

虛擬樣機(jī)可以直觀地呈現(xiàn)設(shè)計(jì)方案，不僅能顯示產(chǎn)品的外形，還能顯示產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、裝配和維修過程、使用方法、工作過程、工作性能等，允許多次評測，進(jìn)行快速便捷地修改。

虛擬制造能夠?qū)崿F(xiàn)加工工藝仿真，例如，針對金屬材料熱成形過程的技術(shù)難點(diǎn)（高溫、動(dòng)態(tài)、瞬時(shí)、難以控制質(zhì)量），從材料成形理論分析入手，通過對材料成形過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，使得基礎(chǔ)理論能直接定量地指導(dǎo)金屬材料熱成形過程，并預(yù)測不同條件下成形后材料的組織、性能和質(zhì)量以及加工過程中可能出現(xiàn)的加工缺陷等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熱成形件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大限度地發(fā)揮材料的性能潛力。中國航發(fā)現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件鑄造過程的虛擬仿真與展示，對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性、可加工性、加工方法進(jìn)行仿真、分析與處理。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配是發(fā)動(dòng)機(jī)制造過程中的核心環(huán)節(jié)。機(jī)械產(chǎn)品裝配是設(shè)計(jì)人員極易出現(xiàn)錯(cuò)誤的地方。如果缺陷到產(chǎn)品最后裝配時(shí)才發(fā)現(xiàn)，極可能導(dǎo)致零件的報(bào)廢和工期延誤，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至企業(yè)信譽(yù)損失。虛擬裝配技術(shù)可以在設(shè)計(jì)階段就對工廠和車間布局及工藝工裝進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)計(jì)者可以置身虛擬環(huán)境中模擬零件裝配，并檢查可能的干涉等問題，確保零件本身以及裝配環(huán)境布局的正確性。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與高性能計(jì)算機(jī)及算法的發(fā)展，虛擬環(huán)境中的建模技術(shù)趨于數(shù)字實(shí)體化，將模型置于虛擬環(huán)境中控制、仿真和分析，可以方便、直觀地進(jìn)行工作性能檢查。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就能展示出產(chǎn)品的行為，動(dòng)態(tài)表現(xiàn)產(chǎn)品的性能，包括運(yùn)動(dòng)構(gòu)件工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系、運(yùn)動(dòng)范圍設(shè)計(jì)、可能的運(yùn)動(dòng)干涉檢查、產(chǎn)品動(dòng)力學(xué)性能、強(qiáng)度、剛度等。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的研制需要多個(gè)廠所共同協(xié)作才能完成，航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程是一個(gè)多層次動(dòng)態(tài)多變耦合協(xié)同設(shè)計(jì)/仿真過程，既有航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程，又有各子系統(tǒng)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)流程，還耦合著各學(xué)科內(nèi)部仿真分析流程。虛擬制造系統(tǒng)可以提供協(xié)同仿真與優(yōu)化環(huán)境，將異地的、各具優(yōu)勢的研究開發(fā)力量，通過網(wǎng)絡(luò)和視像系統(tǒng)聯(lián)系起來，進(jìn)行異地開發(fā)，能更好地服務(wù)于 |IPT |團(tuán)隊(duì)，在設(shè)計(jì)、零部件生產(chǎn)、裝配以至維護(hù)這一全過程中各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)協(xié)同仿真。

虛擬仿真的未來啟示

在近期的國際航空發(fā)動(dòng)機(jī)論壇上，通用電氣、羅羅、普惠等航空發(fā)動(dòng)機(jī)巨頭以及伊薩、西門子等軟件服務(wù)商均將虛擬現(xiàn)實(shí)、“數(shù)字雙胞胎”等虛擬制造相關(guān)技術(shù)列為未來創(chuàng)新發(fā)展研究重點(diǎn)。當(dāng)前，我國虛擬制造應(yīng)用的重點(diǎn)研究方向是基于我國國情進(jìn)行產(chǎn)品的三維虛擬設(shè)計(jì)、加工過程仿真和產(chǎn)品裝配仿真，主要是研究如何生成可信度高的產(chǎn)品虛擬樣機(jī)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段能夠以較高的置信度預(yù)測所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的最終性能和可制造性。

虛擬制造是研究與應(yīng)用緊密結(jié)合的產(chǎn)物，還有許多重大技術(shù)難題需要人們繼續(xù)努力去解決。更深入的建模技術(shù)研究與材料性能研究、多學(xué)科虛擬性能仿真、多領(lǐng)域優(yōu)化設(shè)計(jì)、虛擬制造與虛擬性能的耦合、一體化工程虛擬樣機(jī)綜合仿真、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘、高性能計(jì)算機(jī)等在仿真分析領(lǐng)域的應(yīng)用均是虛擬制造未來的發(fā)展方向?？v觀工業(yè)領(lǐng)域各種技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，大都有一個(gè)從非標(biāo)準(zhǔn)化到標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展過程，這一過程同樣適用于虛擬制造。如何使地理上分布于世界各地的設(shè)計(jì)、工藝以及制造人員參與到產(chǎn)品設(shè)計(jì)及驗(yàn)證過程中來，建立基于Internet的協(xié)同虛擬環(huán)境是分布式發(fā)展的必然趨勢。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的自主研制必須遵循產(chǎn)品研制的客觀規(guī)律，每一個(gè)階段都需要一步一個(gè)腳印走下去，我們要實(shí)現(xiàn)追趕，必須盡可能地減少研制過程的“反復(fù)”，追求設(shè)計(jì)能力的提升，追求一次性把事情做對，堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的同時(shí)，必須要保持一種大膽開放、合作共贏的姿態(tài)，在顛覆性新技術(shù)上勇往直前。