新飞豹飞机横空出世 - 软件定义制造业_0

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新飞豹飞机横空出世 - 软件定义制造业_0

  这是中国航空史上一个奇迹:一架歼击轰炸机,从设计开始,到完成首飞,仅仅用了两年半的时间。

  而且,这是2000年开始。

  是的,这是一个十六年前的故事。在当下数字化设计与制造正在成为业界热点的时候,这个传奇的全数字化样机的故事,具有超前的软件意识。

  数字化思维是决定性力量

  新飞豹(歼轰-7)是中国自主研制的中重型、超音速、全天候歼击轰炸机,是中国目前进攻性主战机种,被称为是中国唯一一款真正的歼击轰炸机。作为中国目前的主战机种,新飞豹就是这样一个传奇产品:在原有的设计研制基础上,新飞豹从2000年开始设计,到2002年7月1日完成首飞,仅仅用了两年半的时间。

  这是一个关于数字化的萌芽发展成参天大树的故事。在技术上采用了全数字样机的设计制造技术,这是中国第一次大规模应用,而且应用在最为复杂的产品开发上;而在管理上,则彻底打通了设计院与制造厂之间的组织墙壁,从而实现了设计与制造一体化。

  数字化的力量

  更重要的是决策:在当时数字化设计在国内几乎是空白的时候,数字化思维是一种石破天惊的力量。而对于参与者而言,那几乎就是一场激辩。1999年12月某日,当时第一飞机设计研究院前身航空工业603所,在时任所长黄强的主持下,开了27人的办公扩大会,会议持续到午夜一点,充分讨论,分歧巨大乃至争吵。

  实际上,当时能够实现全机翼的全数字设计在中国已经很了不起了。因此,有的专家保守地提出:机翼采取三维的设计,机身仍采用二维的图纸。

  最后,决策组力排众议,采用了整机全数字化的设计。因为,如果机翼采用三维设计,而机身采用二维设计,则界面关系搞不清楚,数据的传递将成为阻碍开发进程的重大绊脚石。

  其实这样抉择也源自过往惨痛的教训。记得90年代造歼十飞机的时候,主起落架主承力结构的整个金属部件都是委托法国制造的。但造完之后,起落架的收放问题出现了问题,有5mm的误差,只好重新订货和重新制造。仅仅是这一点点的误差,影响了歼十首飞推迟了八、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。

  痛定思痛,全数字化样机,成为一代航空人的梦想。

  实际上,这些成就的取得也源于国内数字化技术的多年积累。航空工业的数字化技术,源于上世纪70年代末、80年代初,通过国家六五~九五计划期间的7760CAD/CAMM系统、CIEM、飞机异地无纸设计、航空CIMS等项目的多年预研,软件对工业的启蒙,正在成为航空人士的一股觉醒的原动力。而新飞豹,则让数字化思维得到了大规模的工程应用。

  没有标准,就是仿制

  飞机设计过程中有两个重要的问题要解决,第一个是气动布局,也就是外形;第二个是总体布置。只有外形和总体布置确定下来,飞机所有的研发,才能向下推进。尽管当时国内还没有完整的外形整个数字化建模的经验,然而工作团队还是仅仅花了三个月的时间,就完成飞豹飞机外形的全部设计。

  到了2000年底,全数字化飞机样机的建模工作基本结束,结构98.2%模型全部交付。接下来的工作就是数字仿真、工艺研制、样机开发。由于飞豹具有外形数字样机,整机可以进行仿真验证实验,从而大大减少耗资巨大的模型风洞实验。

  这就是软件的魅力。如果用传统方法,基于图纸的二维设计,两年半的时间,或许仅仅能画完工程图。

  更为重要的是:在数字化建模过程中,数字化标准也同步制订出来。

  要设计一个产品,如果没有标准,那几乎就是仿制。新型产品一定是产品设计和标准共同成长的。智能制造的核心是软件,而标准一定要同步生成。如果编程完成之后,再回头去补文档,那么这个开发过程就是有问题的。

  设计做完,进行验证,与此同时拿出标准,这就是同步成长。

  创新体系,标准为核心。新型产品应该和新型体系共同成长,这才是可用的研发体系。有了产品,同时有了标准,这才是真正的研制。

  十六年过去了,制造业发生了翻天覆地的变化。然而,令人痛心的是,2000年就开始启动并成功的数字化应用,依然没有在中国扎根、发芽和壮大。中国99%的工厂和研制单位,至今仍然没有建立全数字化制造体系。

  这是当下中国制造业最大的痛。也是我们在面临工业4.0大潮的时候,为何心生崇敬,却又对落地百般疑惑。

  CATIA之父的祝福

  飞豹最后形成的数字样机有54000多个结构件,43万个标准件。作一个对比的是,最新列装的大型运输机运20(胖妞)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。

  飞豹全数字化样机的成功,惊动了国际上的注意力。

  一方面,Catia之父、达索系统董事长FrancisBernard对于第一次在世界范围内首次使用CatiaV5,构建了首个全飞机数字样机,表示敬佩和祝贺,并邀请飞豹团队在达索系统作了三场报告。

  下文是达索系统董事长发给时任第一飞机设计研究院院长黄强(2002年中国十大杰出青年,2005年底任国家国防科技工业委员会秘书长兼新闻发言人,现任甘肃省副省长)的信件原文。

  CATIA之父的祝贺信

  实际上CatiaV5是达索系统1998年基于Windows开发,采用了大名鼎鼎的Windows+Intel体系。这就打破了之前基于Unix系统的三维设计开发的尴尬局面价格昂贵且难用。

  重要的是,这就意味着全数字化设计开发,进入PC机时代。这意味着,大型复杂产品CAD工程应用,终于来到寻常工程师的办公桌上。

  这技术水平极高的第一次,真真切切地发生在中国。

  紧随达索系统之后,反应迅速的波音公司,随即来中国学习CatiaV5怎么使用,V5的标准如何制订。

  2002年!波音到中国是来学习的,这是中国历史上的第一次。

  消除最大的浪费

  返工修改,是制造业最大的浪费。不幸的是,这是传统制造业最常见的通病。

  飞豹飞机有54000多个结构件,如用传统手工设计,在实际工艺与制造过程中,按常规考量估计也要有近6000张工程更改单。这意味着海量的修改工程,而第一次采用数字化设计的工程更改单,仅仅有1041张。

  也就是说,工程返工的数量,从六千张剧减到一千多张。工程量减少80%左右。这就是传统设计手段进化到数字化设计,所产生的令人瞠目结舌的效果。

  显然,全数字化设计,减少了制造业最为头疼的:工程更改单这往往是交货延期最主要的问题。

  数字化设计技术的推广应用,已为中航第一飞机研究院(含现在的上飞院)和制造厂商西飞公司带来了巨大的效益:当年的项目设计周期,由常规的2.5年缩短到1年,而工装准备周期则可以作到与设计同步,大大缩短了制造周期;保证了飞机的研制进度。

  与此同时,数字化的设计带来搂草打兔子的效果数字化产品带来的知识可重用,软件带来的知识复用,充分体现在飞机的数字化研制上。

  一飞院的设计人员乘胜追击,在四年之内,一口气设计出三款飞机。

  而传统研制方法,至少十年才能设计制造一架飞机。不能重用既有的知识,是设计研发中最大的浪费。而通过软件固化的模型、知识和前人的经验,让数字化充分展现神奇的组合与创新。

  不可磨灭的软件印迹

  新飞豹不仅仅具备对海、对地的全天候精确攻击能力,是攻防兼备的实战武器、装备体系的骨干力量之一。而更具有意义的是,新飞豹全机数字样机研制对中国航空业的发展,带来了巨大的拉动作用。

  随后,成都飞机研究所在超七枭龙飞机研制中,也全面应用了数字化设计制造技术。包括采用全机外形的三维数字化定义,建立了全机结构的数字样机,并以三维模型(全部数控零件)和二维工程图样的方式向工厂发放数据。初步稳固地建立了数字化的技术体系,包括数字化设计标准的部分规范和部分材料库。这些实践,正在向民用行业不断渗透扩散。而新飞豹(歼轰-7A)飞机也培养了大量的数字化设计制造人才。当年的总设计师唐长红,2011年成为工程院院士,一次提名直接当上。现在已经成为运-20的总设计师。

  软件以原力觉醒般的惊艳力量,定义和支撑了制造业最为复杂产品的研发制造:新飞豹的身世有着太多的值得挖掘的亮点。与它众多驰骋在蓝天的兄弟飞机不同,巨大的新飞豹数字样机原型投影挂在小汤山中国航空博物馆的山洞里面。除非亲历者会流着眼泪靠近它,几乎没有人注意到它的与众不同。那衔着全数字化金钥匙而诞生的非凡经历,对于普通的制造业而言,似乎也被掩没在山洞之中。不过,在当下的数字化设计与制造大潮中,它已经感受到了来自航空业之外的呼唤。

  这终究是中国工业史上一个不可磨灭的软件印迹:数字化的思维和软件的支撑,甫一亮相制造业,便势不可挡。