盤點(diǎn)：航空制造業(yè)各領(lǐng)域低調(diào)卻驚艷的軟件（上）

2016-08-08 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

航空制造業(yè)擁有一百多年的發(fā)展歷史,隨著外部形勢和環(huán)境條件的變化,其涉及面已十分廣泛,按大類可分為數(shù)控加工、鈑金成形、特種加工、表面工程、焊接、機(jī)械連接、飛機(jī)裝配、數(shù)字化制造、熱加工和增材制造十個(gè)領(lǐng)域。而現(xiàn)代航空制造技術(shù)在多學(xué)科、多領(lǐng)域的基礎(chǔ)上正朝著自動(dòng)化、智能化、輕小型集成化的方向發(fā)展著,除了離不開這些領(lǐng)域加工制造技術(shù)的突飛猛進(jìn),也離不開其背后軟實(shí)力的發(fā)展。那么今天,小編就帶大家了解一下航空制造技術(shù)的軟實(shí)力,看看再航空制造領(lǐng)域都用了哪些低調(diào)而功能強(qiáng)大的軟件。

圖1 先進(jìn)航空制造技術(shù)

在正式介紹軟件之前,先回答一個(gè)問題:在航空制造業(yè)發(fā)展之初,沒有這些強(qiáng)大的軟件,人們又是如何造飛機(jī)的?這里我們有必要講述一下航空制造技術(shù)的發(fā)展歷史,答案就在其中。

航空制造業(yè)的百年歷史

1初期發(fā)展階段

自萊特兄弟造出世界上第一架飛機(jī)到第一次世界大戰(zhàn)這段時(shí)間,飛機(jī)都是布木結(jié)構(gòu)的雙翼飛機(jī),用一般內(nèi)燃機(jī)作動(dòng)力,只需要簡單的木工和一般的機(jī)械制造技術(shù)就可以制造出來。

圖2 萊特兄弟的早期飛機(jī)(博物館還原模型)

圖3 萊特兄弟手工制造飛機(jī)

緊隨萊特兄弟創(chuàng)建第一家飛機(jī)公司之后,美國和歐洲迅速出現(xiàn)了其他一些飛機(jī)制造企業(yè)。在這一時(shí)期,這些企業(yè)的規(guī)模一般都比較小,近似于作坊。有些企業(yè)發(fā)展延續(xù)到現(xiàn)在,如洛克希德公司和羅羅公司等;而有些企業(yè)是經(jīng)過整合后發(fā)展,如布雷蓋公司和英國的幾家飛機(jī)公司;當(dāng)然也有很多企業(yè)消失。這些企業(yè)和個(gè)人在世界航空制造業(yè)發(fā)展進(jìn)程中發(fā)揮了重要作用。

圖4 羅羅公司早期生產(chǎn)線

2體系形成及二戰(zhàn)階段

第一次世界大戰(zhàn)使得(軍事)航空工業(yè)實(shí)現(xiàn)第一次大發(fā)展。全世界的企業(yè)數(shù)量達(dá)到約200家,航空發(fā)動(dòng)機(jī)廠80家,戰(zhàn)爭期間生產(chǎn)的飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量分別為20多萬架和23萬多臺。

而二戰(zhàn)的巨大軍事需求刺激了世界(軍事)航空工業(yè)的第二次大發(fā)展,航空制造業(yè)也實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展和持續(xù)擴(kuò)張。戰(zhàn)爭期間空軍成為重要軍種,飛機(jī)性能迅速提高,參戰(zhàn)飛機(jī)數(shù)量大、種類多。飛機(jī)生產(chǎn)達(dá)到高峰,全世界總產(chǎn)量約100萬架。二戰(zhàn)期間,活塞發(fā)動(dòng)機(jī)(軍用)飛機(jī)發(fā)展達(dá)到巔峰極限。得益于福特汽車的誕生和汽車行業(yè)的發(fā)展成果,飛機(jī)的生產(chǎn)制造和裝配也引進(jìn)了流水線批量作業(yè)的概念,但自動(dòng)化水平相對較低。

圖5 二戰(zhàn)時(shí)期波音B-29裝配線

圖6 二戰(zhàn)期間的洛克希德公司加州伯班克工廠

3噴氣動(dòng)力時(shí)期

二戰(zhàn)后,軍用航空訂貨銳減,同時(shí)飛機(jī)由活塞動(dòng)力向噴氣動(dòng)力跨越,航空制造業(yè)再一次經(jīng)受嚴(yán)峻考驗(yàn)。隨著噴氣技術(shù)的發(fā)展,飛機(jī)性能、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、效費(fèi)比要求的提高,以及新材料、新結(jié)構(gòu)的大量涌現(xiàn),飛機(jī)生產(chǎn)對制造技術(shù)提出更加苛刻的要求。與二戰(zhàn)時(shí)期相比,航空制造技術(shù)的自動(dòng)化水平日益提高,人的作用逐步被機(jī)械和軟件所取代。

圖7 F-22戰(zhàn)斗機(jī)裝配車間

圖8 噴氣飛機(jī)生產(chǎn)線

4現(xiàn)代航空制造業(yè)

現(xiàn)代航空制造技術(shù)是集現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果之大成的制造技術(shù),遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般機(jī)械制造技術(shù)。由先進(jìn)的航空制造技術(shù)支撐的航空工業(yè)被譽(yù)為工業(yè)之花,它集中代表了一個(gè)國家的最高制造業(yè)水平和技術(shù)實(shí)力。

圖9 現(xiàn)代航空制造技術(shù)的自動(dòng)化裝配

圖10 先進(jìn)航空制造技術(shù)中的自動(dòng)化加工技術(shù)

而這些高精尖的技術(shù)的實(shí)現(xiàn),除了過硬的硬件條件保障,同時(shí)也離不開應(yīng)用日益廣泛的航空制造軟件的背后支撐,這里面用到的軟件也是五花八門,多種多樣。這些軟件有多么神奇?功能有多么強(qiáng)大呢?下面小編就以這十個(gè)領(lǐng)域?yàn)橹?帶大家領(lǐng)略一下這些軟件的神奇吧。

數(shù)控加工

Mastercam是美國CNC Software Inc.公司開發(fā)的一款軟件,不但擁有強(qiáng)大的數(shù)控編程、三維實(shí)體造型等功能,還有強(qiáng)大的曲面粗加工和精加工功能,特別是其刀具路徑校驗(yàn)功能能夠檢查出刀具和夾具與工件的干涉、碰撞情況,在各類銑床、車床和線切割等數(shù)控加工場合應(yīng)用廣泛,為預(yù)加工提供了良好的環(huán)境。

圖11 Mastercam軟件封面

圖12 Mastercam設(shè)計(jì)數(shù)控加工路徑

PowerMILL是英國Delcam Plc公司出品的一款功能強(qiáng)大、加工策略豐富的數(shù)控加工編程軟件,從數(shù)控加工的工程概念出發(fā),能夠?qū)?shí)體模型全自動(dòng)處理,且編程操作的難易程度與零件的復(fù)雜程度無關(guān),易于粗、精加工的全自動(dòng)化。該軟件還能檢查和排除運(yùn)動(dòng)干涉,計(jì)算刀具路徑時(shí)間,從而為用戶提供完善的加工策略,提高加工效率。

圖13 PowerMILL軟件封面

圖14 PowerMILL提供完善的加工策略

鈑金成形

Autoform是德國Autoform工程公司開發(fā)的一款專門針對金屬成形工業(yè)中板料成形的軟件,特別適合于復(fù)雜的深拉延河拉伸成形設(shè)計(jì)、沖壓工藝和模面設(shè)計(jì)的驗(yàn)證、成形參數(shù)優(yōu)化、耗材最小化設(shè)計(jì)、拼焊板和復(fù)合板的評估優(yōu)化等。約90%的沖壓和飛機(jī)零件制造商都用它來進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)、工藝規(guī)劃和模具研發(fā)。

圖15 Autoform軟件封面

圖16 飛機(jī)薄壁結(jié)構(gòu)沖壓成形設(shè)計(jì)

Pam-stamp是一套專門用于鈑金成形仿真的軟件系統(tǒng),由法國的ESI公司開發(fā),迄今為止是世界上唯一整合了有限元模擬求解方案的成形軟件。該軟件易于上手,能夠?qū)崿F(xiàn)模具設(shè)計(jì)可行性分析、快速成型模擬、回彈預(yù)測、回彈自動(dòng)補(bǔ)償、模具型面輸出等功能。

圖17 Pam-stamp軟件封面

圖18 飛機(jī)結(jié)構(gòu)成形仿真

出自一個(gè)體系,與Pam-stamp堪稱姐妹花的另一個(gè)模塊,Pam-tube能夠?qū)Ω鞣N彎曲比例的復(fù)雜管材進(jìn)行成形仿真,包括彎曲成形和液壓成形,在飛機(jī)的管路制造上應(yīng)用廣泛。

圖19 Pam-tube廣泛應(yīng)用于飛機(jī)管路制造仿真

特種加工

FastCAM是一款全自動(dòng)的共邊連割套料軟件,主要應(yīng)用于特種加工中的火焰、等離子、激光和水刀等切割編程。在處理時(shí)可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)共邊,即通過合理排布使得每個(gè)矩形零件少切一條或兩條邊,有效減少切割行程,借助切割邊緣預(yù)熱,縮短預(yù)熱時(shí)間以及提高切割效率,同時(shí)減少零件間的切割間距,提高材料利用率。

圖20 FastCAM軟件封面

圖21 FastCAM軟件設(shè)計(jì)界面

Band5 WEDM是一款專為快走絲線切割自動(dòng)編程的軟件,能夠兼容目前市面上各種常見的線切割系統(tǒng)。只要用鼠標(biāo)繪制出要加工的圖形,就能立即生成加工代碼,代碼可直接傳送至機(jī)床控制臺,節(jié)約大量時(shí)間;同時(shí)該軟件擁有強(qiáng)大的零件查找功能,幾秒鐘就能在數(shù)以千計(jì)的加工零件中找到目標(biāo)。

圖22 Band5 WEDM軟件封面

圖23 Band5 WEDM設(shè)計(jì)線切割路徑

表面工程

SimCoat軟件主要用于對材料表面噴射涂層工藝的建模和仿真,快速而精確地獲得涂層信息,如厚度、粗糙度、孔隙率等,幫助用戶制定合理的噴射涂層工藝,選擇不同種類的液體和熔化金屬涂層,確定最佳的參數(shù)特征(如液滴噴射速率、尺寸分布、液體溫度和基片溫度等)。該軟件分析速度快,普通電腦上1cm2的噴涂在一小時(shí)內(nèi)可以得到精確結(jié)果。

圖24 SimCoat對涂層的仿真分析

Chemkin軟件最早由美國Sandia實(shí)驗(yàn)室開發(fā),經(jīng)過多年不斷發(fā)展日趨完善,成為一款用于求解復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)問題的軟件,在表面工程中常用于催化過程、化學(xué)氣相沉積、等離子體及其他化學(xué)反應(yīng)的模擬。該軟件以氣相動(dòng)力學(xué)、表面動(dòng)力學(xué)和傳遞過程三個(gè)核心軟件包為基礎(chǔ),提供了21中常見化學(xué)反應(yīng)的模型及后處理程序。