工业4.0对航空设计及维修业的影响

Ben Hargreaves

物質世界和数字世界的深度融合，在产生大量信息的同时也为制造业、维修业开辟了新局面，将对飞机全寿命周期产生重要的影响。

两百多年前，蒸汽机的轰鸣拉开了第一次工业革命的大幕，工业化发展势不可挡，影响力覆盖各个行业、延伸至世界的每个角落。百年来，每一次历史性变革都伴随着科技的划时代突破，工业由传统机械化走向电气化再走向自动化。那么下一步，工业发展将走向何方？2013年，德国率先提出了“工业4.0”战略。

“工业4.0”现已成为高端制造业的风向标。其中，航空工业是迈人“工业4.0”即“第四代工业革命”的过程中的早期实践者。罗罗公司认为，与过去的工业革命由单一核心技术引导所不同，“工业4.0”虽然包含了很多新一代的制造工艺，但是这些技术本身并不是革命性的，而是它所处的整个制造业生态体系的变革。数字化带来的智能制造是实现体系革命的重要载体。

据凯捷咨询公司（ Capgemini）研究指出，截至2017年3月，62%的航空和国防类企业从事智能制造项目。这一比例使航空工业在数字化工厂运用方面不仅领先于汽车行业（50%），还领先于能源及公共事业（42%）、生活消费品（40%）、生命科学和医药（37%）等行业。

工程模拟和三维设计软件公司ANSYS表示，在未来几年内，数字化工具的使用会在航空制造和维修领域有所增长。因为在未来20年内，将会有约40000架新飞机交付给航空公司，为此，飞机制造商需要提高生产效率。但由于单架飞机构造相当复杂，所需零部件数量极其众多。因此，制造业必须找到制造飞机的新方法，而“工业4.0”正是解决这一问题的有效方法。

当然，各大OEM厂商早在十年前就在利用数字化技术制造新飞机。以空客A350 XWB飞机为例，空客工程师采用达索系统3D Experience平台，使A350XWB设计制造过程中的4000人的工作相关联，而且其中85%的人处于供应链中。该技术也使空客公司的飞机制造模式实现了较大的飞跃。在A350 XWB之前的项目中，尽管每个生产站点也都配有数字样机，但由于没有配备持续的通信，使得设计时间有所延长，而且设计过程中由于沟通不畅会出现一些错误，最终导致制造成本增加。

而在设计A350 XWB飞机时，空客主要采用了以下技术和工具：一是在A350XWB飞机上安装达索系统公司的产品生命周期管理（PLM）解决方案Enovia，该方案是3D Experience平台数字化设计和模拟功能的核心，可作为A350 XWB设计数据的中央存储器和输送装置，能使工程师更好地进行数据管理。二是采用了达索系统公司的CAD虚拟设计工具CATIA，以解决该机设计所要求的超大型组件问题。例如，A350 XWB飞机机翼可能由7TB级数据组成。三是采用了达索系统公司的模拟软件应用，如有限元分析等仿真软件，以便设计师了解航空零部件的材料和应力问题。

此外，达索系统Enovia协同技术还可通过耳机或沉浸式投影机系统Cave技术与3D虚拟现实（VR）系统共同作业，使空客的工程师在A350 XWB飞机设计过程中就对机内零件实现了可视化，使飞机系统组装可视化。在装配前，除了有助于设计工程师开展设计验证，还能够使从事飞机零件设计的所有工程师获取到传输至VR兼容模块的三维设计数据。

当今，物理世界和数字世界正在进行深度融合，在产生大量信息的同时也为产品的制造和维修开辟了新模式。就数字工具而言，ANSYS仿真软件已在飞机制造和汽车制造领域运用多年的主要原因是飞机和汽车都是复杂性与安全性要求并具。而且当前ANSYS仿真软件还能够对增材制造件的形状进行优化，在保持零件相同性能和安全级别的同时达到减轻零件重量、减少材料使用量和降低零件复杂程度的目标。

目前，ANSYS软件公司将“数字孪生”概念用于航空航天业一级客户和OEM厂商，并开展了流体力学、嵌入式软件仿真和结构仿真等技术应用，表明了工业4.0对航空业的影响显著增强。此外，“数字孪生”还能够作为飞机发动机等实体结构的虚拟模型，进行数据收集。因此，未来航空零部件中会包含更多的传感器，它们通过采用高速网络连接将采集到的数据实时传送给工程师。

现代飞机能够产生万亿字节的数据。一旦这些数据被收集，就能创建出一套详细的虚拟数字模型，并可以对部件或系统的工作状态进行评估。显然，这将为飞机维修业带来机遇。以飞机发动机为例，其维修数据与发动机历史工作情况相关，通过“数字孪生”高保真模拟平台可反映发动机内部工作情况，进而对发动机的状态进行分析，且能够以此改进发动机的维修管理模式，如能够使发动机具备更长的寿命周期、使发动机的停场时间最短。

“数字孪生”也有助于工程师和维修技术人员对发动机的工作原理进行更深入的了解。由于物联网（IoT）可为成千上万的物理航空零件提供实时数据连接，这样虚拟的物理原型就成为了飞机实际飞行的实时代表，为工程师了解飞机工作原理、检测飞机故障情况及开展故障预防提供了一个巨大的机遇。但“数字孪生”还需要采用新的技术如设计和生产出具备耐高温特性的新型传感器，以满足航空发动机的工作环境要求。同时，还需要研发出具备高度专业化和安全性的软件代码，以保证整个虚拟原型及传输网络的安全。目前，作为传统飞机设计领域的软件供应商，ANSYS公司正在利用PTC的Thingworx、GE的Predix等物联网平台以及与各类OEM厂商合作，以对ANSYS软件在工业机械数据采集软件系统管理工作流程中所扮演的角色进行验证。

此外，在航空制造业，工业4.0可能还意味着能够对每个零件进行准确地跟踪，并采用数据持续优化生产线，使库存管理更高效。