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)動機產(chǎn)業(yè)能否緊跟時代步伐，中國航發(fā)能否在盡可能短的時間內(nèi)完成肩負的歷史重任，虛擬仿真、智能制造與傳統(tǒng)制造模式的融合運用是重要的支撐之一。我們需要充分的運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)動機制造模式的重要技術(shù)方法之一，也是促進航空發(fā)動機研制前進的加速器之一。

虛擬仿真讓設(shè)計優(yōu)化更便捷

航空型號產(chǎn)品的自主研制必然要經(jīng)過論證、設(shè)計、仿真（虛擬試驗）、樣機（裝配檢測與物理試驗）、定型、批產(chǎn)、維護等這些階段。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)計中的許多裝配、性能問題往往要到樣機制作才能暴露出來。傳統(tǒng)模式下，人們被迫通過物理樣機的反復(fù)試制來優(yōu)化設(shè)計方案，每一次“反復(fù)”消耗的都是“真材實料”，不僅面臨時間和成本的嚴峻考驗，還給設(shè)計方案的最優(yōu)化帶來了重重阻力。

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

例如，波音777整機設(shè)計、部件測試、整機裝配以及各種適航標準環(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進一步實現(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了波音公司飛機設(shè)計能力的提升——虛擬樣機替代物理樣機，使設(shè)計方案修改更加便捷、靈活；在產(chǎn)品研制過程中，虛擬樣機實現(xiàn)了整機規(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、評審的效率；變“后實物驗證”為“先虛擬體驗”，避免將設(shè)計缺陷帶入后續(xù)研制階段，大大減少反復(fù)更改活動，使設(shè)計一次成功成為現(xiàn)實，有效地降低了成本、縮短了研制周期。

航空發(fā)動機研制加速關(guān)鍵應(yīng)用

相對于飛機機體制造而言，航空發(fā)動機的結(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)動機的設(shè)計優(yōu)化、研制提速提供了諸多可能性。

虛擬樣機可以直觀地呈現(xiàn)設(shè)計方案，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（高溫、動態(tài)、瞬時、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行動態(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，進而實現(xiàn)熱成形件的優(yōu)化設(shè)計，最大限度地發(fā)揮材料的性能潛力。中國航發(fā)現(xiàn)已實現(xiàn)了航空發(fā)動機關(guān)鍵部件鑄造過程的虛擬仿真與展示，對產(chǎn)品設(shè)計的合理性、可加工性、加工方法進行仿真、分析與處理。

航空發(fā)動機裝配是發(fā)動機制造過程中的核心環(huán)節(jié)。機械產(chǎn)品裝配是設(shè)計人員極易出現(xiàn)錯誤的地方。如果缺陷到產(chǎn)品最后裝配時才發(fā)現(xiàn)，極可能導(dǎo)致零件的報廢和工期延誤，造成巨大的經(jīng)濟損失甚至企業(yè)信譽損失。虛擬裝配技術(shù)可以在設(shè)計階段就對工廠和車間布局及工藝工裝進行驗證，設(shè)計者可以置身虛擬環(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)實技術(shù)與高性能計算機及算法的發(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、直觀地進行工作性能檢查。在產(chǎn)品設(shè)計階段就能展示出產(chǎn)品的行為，動態(tài)表現(xiàn)產(chǎn)品的性能，包括運動構(gòu)件工作時的運動協(xié)調(diào)關(guān)系、運動范圍設(shè)計、可能的運動干涉檢查、產(chǎn)品動力學(xué)性能、強度、剛度等。

航空發(fā)動機產(chǎn)品的研制需要多個廠所共同協(xié)作才能完成，航空發(fā)動機設(shè)計過程是一個多層次動態(tài)多變耦合協(xié)同設(shè)計/仿真過程，既有航空發(fā)動機系統(tǒng)總體設(shè)計流程，又有各子系統(tǒng)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計流程，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，進行異地開發(fā)，能更好地服務(wù)于 |IPT |團隊，在設(shè)計、零部件生產(chǎn)、裝配以至維護這一全過程中各個環(huán)節(jié)實現(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)動機論壇上，通用電氣、羅羅、普惠等航空發(fā)動機巨頭以及伊薩、西門子等軟件服務(wù)商均將虛擬現(xiàn)實、“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。當前，我國虛擬制造應(yīng)用的重點研究方向是基于我國國情進行產(chǎn)品的三維虛擬設(shè)計、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，在產(chǎn)品設(shè)計階段能夠以較高的置信度預(yù)測所設(shè)計產(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、虛擬制造與虛擬性能的耦合、一體化工程虛擬樣機綜合仿真、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘、高性能計算機等在仿真分析領(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，大都有一個從非標準化到標準化的發(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、工藝以及制造人員參與到產(chǎn)品設(shè)計及驗證過程中來，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)動機的自主研制必須遵循產(chǎn)品研制的客觀規(guī)律，每一個階段都需要一步一個腳印走下去，我們要實現(xiàn)追趕，必須盡可能地減少研制過程的“反復(fù)”，追求設(shè)計能力的提升，追求一次性把事情做對，堅持創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的同時，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。