虛擬化設計將加速航空領域 新型材料和新技術的應用
近年來，隨著計算機技術的發展，仿真設計已經廣泛應用于飛機設計、制造等整個過程中，這些新手段的應用為飛機制造工業帶來了巨大的革新性變化。此外復合材料作為一種飛機制造中同樣具有革新性意義的事物，在飛機上的廣泛應用也正在改變著整個飛機制造業，甚至未來整個飛機制造產業鏈條。日前，本報記者針對上述話題采訪了美國Altair公司航空結構設計、優化減重、復合材料設計等方面的技術專家周明博士。
《航空報》：在航空領域，傳統的航空結構或者飛機結構設計都可以被虛擬仿真所替代嗎？
周明：自80年代以來，仿真分析已成為飛機結構設計方法中必須的工具。通過建立粗網格有限元模型，英文稱GFEM，設計工程師可以獲得比較精確的結構載荷分布。這樣典型構件（如加筋板、翼肋等）在各種工況下的載荷可以通過有限元分析獲得。在獲得載荷的基礎上，結構構件的設計通常采用經驗算法來計算細節的力學響應及安全系數。隨著計算機運算能力的不斷增強，同時有限分析尤其是非線性分析功能的持續發展，細網格的模型，英文稱DFEM，越來越多地被應用到飛機結構的設計過程中。近些年來飛機制造商正在推動整機的精確有限元計算，這樣的模型可達幾億有限元，分析的工況可以包裹非常復雜的極限載荷試驗過程，應用包括含大量復合材料結構的新一代客機。可以預測精確有限元分析方法將很快成為飛機設計的主導工具之一。
《航空報》：在航空領域，仿真設計軟件的應用經歷了怎樣的過程和發展？隨著仿真軟件的發展，是不是飛機的全部研發和制造流程都可以在電腦上實現？這對于航空工業有著怎樣的意義？
周明：部分內容已在個問題中已回答，我想再廣義地談談計算機與軟件在產品開發過程中的作用。我們知道，80年代后期飛機設計的過程有一個突破性的革新，那就是設計進入了全數字化的CAD時代。例如，在1994進入航運的波音777，是波音的架全部用CAD設計的大型客機。從此飛機設計過程已經發展到接近100%的計算機輔助設計。前面提到的傳統的半經驗設計工具也已經被轉化為計算機軟件，很多這樣的工具可以用通用軟件來實現，比如微軟的Excel。顯然，完全虛擬化的設計流程減少了樣機及體實構件的加工和測試，從而縮短設計迭代周期，加快了整個產品研發速度。在近期先進的客機研發上，如A380、B787、A350等，可以看到虛擬化設計技術縮短了產品開發周期，同時加速了新型材料和新的制造技術的應用。
《航空報》：Altair在波音空客均有十分成功的應用，特別是在優化減重方面，請您簡單介紹這些成功的應用，同時，您認為我們如何才能將這些先進的技術用于的大飛機研發？
周明：空客和波音在新一代客機A380、B787和A350等的研發過程中，已經開始推動優化技術的應用。在B787和A350研發階段，兩大公司都建立了優化中心并且同Altair公司合作，通過優化技術來實現飛機的輕量化設計，取得了很好的成效。在我看來，通過更廣泛的應用，優化技術還有巨大的潛力。于2008年成立了商用飛機有限責任公司，開啟了躋身進入大型商用飛機市場的雄偉計劃，正在研發的單通道商用飛機C919，類同于空客的A320和波音的737客機。在我看來，的優勢在于他們可以在沒有傳統設計框架約束的情況下，接受先進的設計工具并建立更有效的設計過程。
《航空報》：波音787飛機上復合材料的應用已經超過50%，當前復合材料在飛機上的應用越來越廣泛，將來會是一個什么樣的趨勢？Altair在這方面的優勢為何？
周明：B787和A350客機基本上達到全機身復合材料結構，這在航空領域是史無前例的。然而，復合材料設計方法至今還是相對保守的，通常采用所謂的“黑色鋁合金”的設計理念，沒有大限度的開拓復合材料的潛力。復合材料結構的特點是結構和材料必須同時設計才能大限度地挖掘減重的潛力，這一任務往往是遠遠超出工程師的經驗和直覺，Altair的先進復合材料優化技術可以在這方面發揮重要作用。
《航空報》：在航空工業領域，復合材料結構的設計有什么樣的特殊性和難點？在CAE仿真上如何克服這些難點？
周明：復合材料制造技術仍在快速發展，例如：AFP（自動化纖維鋪放系統）技術使得自由改變纖維方向成為可能，進一步增強復合材料結構設計潛力。理解和掌握先進的復合材料制造技術對飛機結構設計非常重要。CAE技術也正在向著精確獲取先進復合材料結構詳細失效模式的方向發展。其次復合材料優化框架需要包括所有詳細的設計驗證標準。從材料科學、制造技術到仿真和優化設計，復合材料領域還在很快的發展和完善。
《航空報》：您對航空領域復合材料的發展和應用有怎樣的看法和建議？
周明：復合材料的發展和應用的主要局限是由于缺乏高質量復合材料供應和成熟的制造經驗。我相信這些差距將在近5到10年內很快縮小。我也非常希望先進復合材料應用將快速的在未來C919改型和其他客機項目中大量增加。
《航空報》：增材制造即3D打印技術是個熱門話題，Altair在航天上已有成功的案例，請您談談對3D打印技術在航空業的前景。
周明：3D打印是目前得到廣泛關注的熱門技術之一，這一熱潮在很大程度上被快速增長的家用3D打印機推動，同時航空等工業的嘗試和投資也在穩步增長，其中包括航空巨頭通用電氣、空客和波音。我認為這些相關的探索會帶來遠遠超出3D打印技術本身的收益。這一對傳統設計、制造框架挑戰的過程，將為新的設計思路和技術創造新的機會。比如，由于3D打印本質上提供了無約束的自由結構造型，通過拓撲優化技術來建立初始設計會很容易被廣泛接受。這樣看來3D打印在很多工業領域會起到拋磚引玉的作用，它將為航空航天工業提供一個機會，讓我們用一種全新的眼光來重新審視設計概念和方法，為新技術更廣泛的接受和推廣提供新的機會。
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《航空報》：在航空領域，傳統的航空結構或者飛機結構設計都可以被虛擬仿真所替代嗎？
周明：自80年代以來，仿真分析已成為飛機結構設計方法中必須的工具。通過建立粗網格有限元模型，英文稱GFEM，設計工程師可以獲得比較精確的結構載荷分布。這樣典型構件（如加筋板、翼肋等）在各種工況下的載荷可以通過有限元分析獲得。在獲得載荷的基礎上，結構構件的設計通常采用經驗算法來計算細節的力學響應及安全系數。隨著計算機運算能力的不斷增強，同時有限分析尤其是非線性分析功能的持續發展，細網格的模型，英文稱DFEM，越來越多地被應用到飛機結構的設計過程中。近些年來飛機制造商正在推動整機的精確有限元計算，這樣的模型可達幾億有限元，分析的工況可以包裹非常復雜的極限載荷試驗過程，應用包括含大量復合材料結構的新一代客機。可以預測精確有限元分析方法將很快成為飛機設計的主導工具之一。
《航空報》：在航空領域，仿真設計軟件的應用經歷了怎樣的過程和發展？隨著仿真軟件的發展，是不是飛機的全部研發和制造流程都可以在電腦上實現？這對于航空工業有著怎樣的意義？
周明：部分內容已在個問題中已回答，我想再廣義地談談計算機與軟件在產品開發過程中的作用。我們知道，80年代后期飛機設計的過程有一個突破性的革新，那就是設計進入了全數字化的CAD時代。例如，在1994進入航運的波音777，是波音的架全部用CAD設計的大型客機。從此飛機設計過程已經發展到接近100%的計算機輔助設計。前面提到的傳統的半經驗設計工具也已經被轉化為計算機軟件，很多這樣的工具可以用通用軟件來實現，比如微軟的Excel。顯然，完全虛擬化的設計流程減少了樣機及體實構件的加工和測試，從而縮短設計迭代周期，加快了整個產品研發速度。在近期先進的客機研發上，如A380、B787、A350等，可以看到虛擬化設計技術縮短了產品開發周期，同時加速了新型材料和新的制造技術的應用。
《航空報》：Altair在波音空客均有十分成功的應用，特別是在優化減重方面，請您簡單介紹這些成功的應用，同時，您認為我們如何才能將這些先進的技術用于的大飛機研發？
周明：空客和波音在新一代客機A380、B787和A350等的研發過程中，已經開始推動優化技術的應用。在B787和A350研發階段，兩大公司都建立了優化中心并且同Altair公司合作，通過優化技術來實現飛機的輕量化設計，取得了很好的成效。在我看來，通過更廣泛的應用，優化技術還有巨大的潛力。于2008年成立了商用飛機有限責任公司，開啟了躋身進入大型商用飛機市場的雄偉計劃，正在研發的單通道商用飛機C919，類同于空客的A320和波音的737客機。在我看來，的優勢在于他們可以在沒有傳統設計框架約束的情況下，接受先進的設計工具并建立更有效的設計過程。
《航空報》：波音787飛機上復合材料的應用已經超過50%，當前復合材料在飛機上的應用越來越廣泛，將來會是一個什么樣的趨勢？Altair在這方面的優勢為何？
周明：B787和A350客機基本上達到全機身復合材料結構，這在航空領域是史無前例的。然而，復合材料設計方法至今還是相對保守的，通常采用所謂的“黑色鋁合金”的設計理念，沒有大限度的開拓復合材料的潛力。復合材料結構的特點是結構和材料必須同時設計才能大限度地挖掘減重的潛力，這一任務往往是遠遠超出工程師的經驗和直覺，Altair的先進復合材料優化技術可以在這方面發揮重要作用。
《航空報》：在航空工業領域，復合材料結構的設計有什么樣的特殊性和難點？在CAE仿真上如何克服這些難點？
周明：復合材料制造技術仍在快速發展，例如：AFP（自動化纖維鋪放系統）技術使得自由改變纖維方向成為可能，進一步增強復合材料結構設計潛力。理解和掌握先進的復合材料制造技術對飛機結構設計非常重要。CAE技術也正在向著精確獲取先進復合材料結構詳細失效模式的方向發展。其次復合材料優化框架需要包括所有詳細的設計驗證標準。從材料科學、制造技術到仿真和優化設計，復合材料領域還在很快的發展和完善。
《航空報》：您對航空領域復合材料的發展和應用有怎樣的看法和建議？
周明：復合材料的發展和應用的主要局限是由于缺乏高質量復合材料供應和成熟的制造經驗。我相信這些差距將在近5到10年內很快縮小。我也非常希望先進復合材料應用將快速的在未來C919改型和其他客機項目中大量增加。
《航空報》：增材制造即3D打印技術是個熱門話題，Altair在航天上已有成功的案例，請您談談對3D打印技術在航空業的前景。
周明：3D打印是目前得到廣泛關注的熱門技術之一，這一熱潮在很大程度上被快速增長的家用3D打印機推動，同時航空等工業的嘗試和投資也在穩步增長，其中包括航空巨頭通用電氣、空客和波音。我認為這些相關的探索會帶來遠遠超出3D打印技術本身的收益。這一對傳統設計、制造框架挑戰的過程，將為新的設計思路和技術創造新的機會。比如，由于3D打印本質上提供了無約束的自由結構造型，通過拓撲優化技術來建立初始設計會很容易被廣泛接受。這樣看來3D打印在很多工業領域會起到拋磚引玉的作用，它將為航空航天工業提供一個機會，讓我們用一種全新的眼光來重新審視設計概念和方法，為新技術更廣泛的接受和推廣提供新的機會。
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