用数字6孪生迎战民用航天工业制造部工业制造的将来
2021-01-06
你应该没亲身经历过五十年前世界上第一架超音速客机首飞带来的精彩时刻，但在不远的将来，你还有机会去体验搭乘纯动力飞机的旅程。
这绝不是黄粱美梦，事实上，随着新技术的不断涌入，纯电动、混合动力、超音速私人飞机等新型航空器的发展势头超出想象。当然，更多的机遇代表着更大的挑战：愈加紧张的交付期，更加严苛的节能减排监管，以及更高的舒适度和可靠性的要求。可以说，面对新技术飞速变化并且应用场景日趋复杂，当今的航空界以及航天界必须加快创新能力，并解决与制造供应链中的协同等挑战，才能满足日益增长的各方需求。
这样，问题就来了，航空航天工程究竟要如何改变才能应对这些挑战？
航空以及航天工程都是庞大且长周期的大工程，涉及到多学科、多部门、多阶段（研发、制造、实验、认证）的协同，更是需要经历设计方案迭代、制造、试验、认证的复杂过程。而另一方面，加速创新又是航空航天企业赢得市场的首要推动力，并且往往要面对在实验室中都难以实现的条件下，设计并创造产品。这些都促使企业必须实现数字化转型，转向通过数字化支撑来提高设计、生产和运营效率，更快地交付复杂度和性能不断提升的新产品。换言之，航空航天企业必须转向下一代工程模式：数字孪生，将实体环境与数字环境融合为一，才能在激烈的环境中保持竞争力。
数字孪生，是物理实体的数字映射系统，能够反映相对应的实体装备的全生命周期过程，并根据产品的行为和变化而不断演化。对于航空航天工程，数字孪生方法有助于更精确地设计和制造，允许工程师根据实时的系统反馈来评估性能和运行状况，并最终使产品变得智能且自动化。近年来，数字孪生技术已经成为航空航天业发展的必要手段。
西门子助力航空航天工程的成功
对于如何创建完整数字孪生，西门子深谙其道。众多航空航天企业利用Siemens Digital Industries Software工具和解决方案为其产品及性能构建了数字孪生，对缩短项目周期、提升性能和降低成本起到了重要作用。这其中主要包括但不仅限于：面向机电液多学科设计的NX，多学科仿真分析试验解决方案Simcenter的软件产品组合（从工程设计角度而言，Simcenter应有尽有，譬如Simcenter Testlab、Simcenter Amesim、Simcenter 3D、Simcenter Nastran、Femap、Simcenter STAR-CCM+、HEEDS等等），以及支撑产品全生命周期业务协同的产品数据管理平台解决方案Teamcenter等等。
这里仅对诸多成功案例进行管中窥豹式的速览，从结构、空气动力学、系统性能、热管理到验证和认证管理的角度，来看数字孪生技术是如何打破创新壁垒，加快航空产品开发过程的。
结构强度性能工程
吉凯恩航宇福克起落架公司应用 Simcenter Amesim和Simcenter 3D Motion设计了安全可靠的起落架，并使流程节省了30%的时间。上海航空器适航审定中心（SAACC）通过使用Simcenter成功确立了C919起落架系统的刚柔多体动力学仿真模型，帮助认证专家改进分析确认和适航审定效率。
空气动力性能工程
皮拉图斯 PC-24团队，得益于Simcenter工具的支持，成功创建了业内第一个精确的数字孪生，实现了并行开发，使新开发的 PC-24 在历史最短时间内飞上蓝天。
系统性能工程
空客直升机使用 Simcenter Amesim和Simcenter工程设计对液压、燃料和电气子系统，实现了实时仿真，大幅减少了设计时间、原型成本和测试时间。
西门子电动飞机项目团队则通过Simcenter产品组合，构建了数字双胞胎和物理测试，快速实现了电动飞机的开发。
集成测试验证和认证
通过Simcenter产品组合中的行业标准测试方案，西门子电动飞机团队的Extra 330LE项目，成功完成了集成测试和认证，同时缩短了测试数据的观察时间，加快了实验数据分析。
热管理
空客A320 neo飞机利用Simcenter STAR-CCM+联合HEEDS，实现了在远离地面 30,000 英尺的外部高空环境下，提供舒适的内舱气候，并利用寻优设计过程，在两周内就完成了更好的ECS设计，减少了90%的周转时间。
以上诸多成功经验，无一不是建立在数字孪生的基础上，对CAE和PLM的深度应用，这些企业也都将数字孪生技术视为取得项目成功的关键要素和核心竞争力。
