我国航空软件困窘:跟国外同时起步,30年过去了还在原地转悠

时间:2020-04-09   来源:www.toutiao.com   网友评论:0   人气: 358 作者: 科技日报、航空制造网

“30多年前,我读研究生时就在编写飞机设计和分析软件,当时我国的航空设计软件跟国外同时起步,但是现在市场已经完全被国外掌控。”说起飞机设计软件发展历程,南京航空航天大学教授、NH40飞机总设计师姚卫星觉得不可思议。

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自上世纪80年代后,世界航空业就迈入数字化设计的新阶段,现在已经达到离开软件就无法设计的高度依赖。设计一架飞机至少需要十几种专业软件,全是欧美国家产品。国内设计单位不仅要投入巨资购买软件,而且头戴钢圈,一旦被念“紧箍咒”,整个航空产业将陷入瘫痪。

数字化“造”飞机更靠谱

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飞机设计涉及到30多个学科专业,每个专业都有自己的设计软件,它们是飞机设计及性能评估不可缺少的工具。

姚卫星告诉记者,设计飞机全过程在CATIA为基础的平台上开展。首先要从气动外形开始,主要用到的软件有Fluent、AAA等。

然后是结构设计,主要用到的软件有MSC NASTRAN、Abaqus、Fatigue、Analsis等;同时开展系统设计,包括操作系统、动力系统、控制系统和人机环境等,主要用到的软件有ADMS、Simulink等。

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最后,还要把设计好的部件在计算机中“组装”成飞机,并输入各种参数模拟现实环境进行测试。

飞机设计不仅流程繁琐,而且零部件数量庞大,加工制造容不得丝毫误差。在手工设计时期,返工修改是飞机制造业最常见的通病。以我国飞豹飞机为例,如用传统手工设计,按常规考量估计有近6000张工程更改单。采用数字化设计的飞豹,工程更改单仅有1041张,工程量减少80%左右。

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据媒体报道,设计歼-10飞机时,主起落架主承力结构的整个金属部件是委托国外制造。但造完之后,起落架的收放出现问题,有5毫米的误差,只好重新订货制造。仅仅是这一点点的误差,影响了歼-10首飞推迟了八九个月。没有全数字化的软件支撑,任何一点细微的误差,都可能成为制造业的梦魇。

记者查询公开报道得知,飞豹有54000多个结构件,43万个标准件;最新列装的运-20有近千万个零部件。如此复杂的产品,没有全数字化设计,几乎是不可想象的。

发令枪响了30年还在原地走

上世纪80年代,得益于计算机技术的兴起,我国的航空设计软件与国外同时起步。

“现在这些名气很大的软件,起初都是航空公司或大学科研人员开发的,比如CATIA软件,功能很强大,现在全球的飞机公司基本都用这个软件在设计,就是法国达索公司一个设计室研发的;还有AAA软件,是美国一个大学教授开发的。”姚卫星说,我国的航空设计软件起步阶段与国外差不多,也是科研人员根据工作需要琢磨着编写出来的。

例如,中航集团623所上世纪80年代就开发出一款“航空结构分析软件(HIJF)”,主要功能与大名鼎鼎的美国NASTRAN软件相近,但是现在鲜有人用。

国外飞机设计软件PIANO对波音787飞机进行分析

其差别就在于,国外软件开发出来后,会根据设计需要,一步步升级改进,目的是使软件好用易用、让更多的人使用;而国内的软件开发出来后,只要计算结果正确,谁也不会花精力去美化界面、增添功能,软件的使用者也仅局限于本单位或本科室甚至是某几个人,除此以外,别人既看不懂也不会用。

久而久之,大家也就更乐于使用成熟、美观且好用的国外软件。

但是,使用国外软件的代价也是相当大的。“比如达索的CATIA,国内任何一个航空设计单位在这一个软件上花的钱都要上千万。”姚卫星说,航空设计软件少则几十万元,多则近千万元,每增加一个账号还要另付一笔费用,过几年升级版本还要付费。如果要完整地设计一架飞机,需要十几甚至几十个软件,花费可想而知。

航空设计软件自给需补足市场课

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航空设计软件起早赶晚集,是缺人还是缺钱?都不是。

我国信息产业已涌现出华为等知名企业,在某些应用领域甚至领先于发达国家。

“航空设计软件的程序代码与普通软件并没有什么不同,但是背后需要强大的理论支撑。比如用来设计结构强度的有限元软件,基本原理就来自我国冯康院士提出的‘有限元’理论。”

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姚卫星说,他根据自己的研究理论开发的结构疲劳分析软件,也是业内公认的“独门秘籍”,国内绝大多数飞机在设计时都请他去计算过结构疲劳强度,国外公司为了获取“秘籍”邀请他当顾问、高薪聘用他的学生,但是都没有开发出相似的软件

在我国航空设计单位中,类似的现象还有不少。可以说,我国并不缺少相应的人才和理论基础。近年来,有关部门也组织科研单位集中力量开发相应软件,但时至今日,市场上也看不到哪个国产软件在流通使用。

“国有科研单位以型号为管理目标,导致软件后续开发难以持续,而民营企业又没有航空专业人才。”姚卫星说,航空设计软件想要与国外媲美,必须有市场化思维。且这类软件开发周期较长、基础理论要求高,需要国有科研单位与民营软件公司配合,理顺上下游产业链。

“没有哪个软件是完美的,国家应多研究出台政策,鼓励国产软件的开发和使用。”姚卫星说,高校院所也应改进考核机制,让科研人员愿意投入几年甚至更长时间开发一款航空设计软件且不受评价机制的影响成为可能。

附:常用航空软件
UG NX

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UG(Unigraphics) NX是西门子公司开发的一个交互式CAD/CAM系统,随着PC硬件的发展和个人用户的迅速增长,已经成为三维设计领域的一个主流应用。可以轻松实现各种复杂实体及造型的构建,将复杂多变的信息转化为二进制代码,用计算机进行快速处理,为用户的产品设计及加工过程提供数字化造型和验证手段。它包含了产品设计、工程制造全范围的开发过程,广泛应用于航空制造领域。

CATIA

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CATIA是IBM公司和达索公司合作后推出的一款三维CAD/CAE/CAM集成软件,在产品外形设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析模拟等领域具有强大的功能,已成为国际航空工业首选软件。

在虚拟装配方面,CATIA除了拥有先进的混合建模技术、强大的三维实体造型功能以及全面的装配设计模块之外,还可以对虚拟装配的装配模型进行干涉校验,并生成检测报告,及时发现装配中存在的干涉点。


AdvancedAircraft Analysis(AAA)

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美国DAR((Design, Analysis and Research))公司的飞机设计软件。AAA软件在全球范围内超过55个国家成功应用,被世界范围内的主要航空工程大学、飞机制造商、军事组织广泛使用。AAA包含飞机概念设计所有专业的设计能力,使用大量的经验工程方法和数据,并且一直在更新进步:DAR一直持续不断的在研究风洞实验数据基础上,更新AAA中所使用的方法。

RDS

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美国CRC(Conceptual ResearchCorporation)开发的飞机概念设计软件,具有优秀的三维造型设计能力, RDS可以进行飞行器概念设计、初步设计,包含总体、气动、性能、重量、载荷、控制、动力、成本等功能。具有自己的图形系统,设计和造型能力突出。

CADS/OpenCADS

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北航开发的飞机概念设计软件,有自己独立的图形系统。具有几何造型、气动、动力特性、性能、重量、电磁散射等特性计算分析能力。CADS可借助iSIGHT进行优化设计。OpenCADS在CADS上进行了改进和创新开发,侧重于民机设计。两个软件被用在北航的飞机设计教学中。

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