数字化仿真(制造系统信息化指南).doc

0 航空发动机概述（1）航空发动机是一种高附加值产品航空发动机、客机、计算机、轿车和轮船的价值比为1400:800:300:9:1；19982007年世界航空发动机销售和维修市场总额为3,500亿美元。 （2）航空发动机研究和发展特点一是技术难度大：涉及气动、热工、结构与强度、控制、测试、计算机、制造技术和材料等多个学科，一台发动机内有几十个部件和系统及数以万计的零件。例如GE90发动机有2,800多个组件、10,000多个零件。二是研制周期长：航空发动机从方案论证到定型投入使用的周期长达30年。例如美国空军第四代战斗机发动机，1986年开始验证机研制，1991年进行原型机工程和制造研制，20042005年投入使用。三是研制费用高：上世纪80年代研制一台推力为11,000kgf、推重比5.5的涡轮风扇发动机的费用大约为1015亿美元；90年代F119发动机研制费用超过20亿美元；联合攻击战斗机F35的动力装置F135研制费用高达50亿美元。发动机研制费用约占航空研究费用的25%。正是因为高难度、长周期、高费用等特点，所以进行航空发动机研制的风险极高。如果我们能在仿真过程中解决一些设计、工艺中可能遇到的问题，就能大大缩短研制周期，加快研制过程。因此，开展航空发动机制造系统数字化仿真技术是必要且刻不容缓的。1 数字化仿真1.1 数字化工艺布局及生产线仿真1.1.1 研究目标利用仿真软件对成发公司现有的焊接生产线及钣金、冲压成形生产线的生产状况进行建模，使现场的工艺问题可以在数字化环境下提前得到分析，得到生产线优化方案，从而缩短产品工艺准备周期，提高工艺设计质量。待条件成熟时，逐步在其他生产线上推广使用，促使成发公司跟上知识工业经济时代制造业发展的必然趋势，提高企业核心竞争力。1.1.2 研究内容（1）在掌握系统仿真理论的基础上，对成发公司现有的焊接生产线及钣金、冲压成形生产线进行现场调研，收集仿真所需数据及生产线布局等资料；（2）在掌握数据和资料后，建立焊接生产线及钣金、冲压成形生产线物理模型，并在此基础上利用仿真软件（如：Flexsim、Tecnomatix软件）建立生产线仿真模型；（3）如何正确地设置焊接生产线及钣金、冲压成形生产线仿真模型参数，以使仿真模型尽量真实地反映出实际生产线的现场作业情况，并运行仿真模型；（4）通过分析模型仿真结果，找出生产线中存在的问题并就存在的问题提出解决方案；（5）对给出的解决方案的优劣性进行综合评价，选择符合成发公司焊接生产线及钣金、冲压成形生产线生产现状的改良方案，并在选定的改良方案的基础上提出进一步的优化措施，然后将优化方案重新仿真，验证其可行性；（6）研究将仿真模型逐步在其他生产线上推广使用的可行性。1.1.3 主要技术指标（1）可编程控制器PLC（Programmable Logic Controller）仿真：通过PLC仿真来模仿整个系统环境；（2）人机过程仿真：解决产品在使用过程中可能出现的人机交互问题；（3）数字化焊接过程仿真：能在3D环境下仿真模拟分析单台或者多台工业机器人（自动化焊接设备）的焊接生产线的焊接过程，主要是分析、优化设备运动路线、时间节拍、设备的离线编程应用等；（4）机器人和机械设备运动仿真：能在3D环境下仿真模拟各种具有复杂运动的设备和工装夹具，分析设备运动的可行性、可达性、运动过程的干涉以及设备之间的协同、设备与人之间的协调等，以便尽早发现设备和工装夹具设计中存在的错误，加速投产速度，降低制造成本；（5）数字化钣金、冲压成形仿真：可对冲压、成形设备以及冲压、成形模进行仿真，还可对冲压、成形生产线进行仿真；（6）数字化机加工过程仿真：可以对设备设备进行虚拟的切削过程模拟，以分析刀路的正确性和完整性，分析机床设备可能存在的干涉和碰撞；（7）数字化动态装配仿真：分析对象为产品的数字模型，可在项目的早期发现问题并进行方便地修改；（8）数字化装配过程仿真：可以仿真装配工艺过程，验证工艺规程以及所用的各种资源（如：场地、设备、工艺规程等）；（9）数字化装配精度仿真：能在3D环境下仿真模拟设计、制造方面的零件公差并进行关键公差变化（CTQ）优化，借此预测加工能力，找到影响装配误差变化的影响因素。（10）生产物流仿真：可以进行实验和情景模拟，而不用干扰现有的生产或者在实际系统建立以前在工艺规划阶段使用。1.1.4 成果形式（1）生产线规划与布局设计资料（书面和电子文档形式）。其中，物流系统设计是核心，因为设备类型和运输方法决定了系统布局形式，并影响控制系统体系结构。控制系统的设计既要考虑加工设备的局部控制功能，同时还要考虑机床布局和物流系统的运输畅通。（2）系统建模：生产线物理模型；采用面向对象方法建立起来的生产线仿真模型，用对象的属性、方法和事件来描述生产线中各物流资源、信息与事件等事物的特征、行为以及连接关系。（3）仿真软件。（4）生产线仿真工作标准。（5）生产线仿真工作培训资料。1.1.5 研究周期研究周期为5年。1.2 专业工艺过程仿真1.2.1 研究目标（1）航空发动机焊接工艺信息化系统。（2）不锈钢、碳钢、高温合金、钛合金等金属材料的钣金、冲压成形仿真。1.2.2 研究内容（1）航空发动机焊接工艺信息化系统。A）详细分析焊接生产过程涉及的各类信息（包括焊接方法、焊接工艺设计与应用流程），建立航空发动机焊接工艺信息标记标准、建立焊接工艺设计与应用模型；B）基于建立的航空发动机焊接工艺信息标记标准，建立航空发动机焊接工艺信息处理平台，为焊接工艺信息处理提供统一接口，实现焊接工艺信息的多平台、多系统无缝共享，进而建立起焊接工艺信息数据库；C）基于建立的焊接工艺信息数据库及焊接工艺设计与应用模型，建立航空发动机焊接工艺信息化系统模型；D）结合建立的焊接工艺信息化系统模型及焊接工艺信息数据库，建立起航空发动机焊接工艺信息化系统，为航空发动机焊接工艺从设计到应用生产提供统一的信息化平台，提高航空发动机焊接工艺开发效率，确保航空发动机焊接质量，缩短航空发动机研发周期。（2）不锈钢、碳钢、高温合金、钛合金等金属材料的钣金、冲压成形仿真。A）采用计算机建模和计算机数值模拟仿真方法，在有机结合理论和实验的基础上，探索该类材料钣金、冲压成形的特征与规律，对其成形过程中复杂不均匀变形进行分析、描述、预测和控制；B）探索成形参数（包括进给速度、成形压力、成形时间、成形温度、模具状态、模具与零件之间的摩擦系数等）对成形过程零件的不均匀变形程度、圆度、起皱、开裂、尺寸和形状精度不到位等缺陷的影响规律，从而建立钣金、冲压成形关联模型；C）在此基础上，对模具以及该成形过程成形参数进行优化设计，从而实现精确成形，为其实际生产提供技术与数据支撑。1.2.3 主要技术指标（1）航空发动机焊接工艺信息化系统。A）简洁、易用的焊接工艺信息标记语言；B）适用、兼容的焊接工艺信息标记标准；C）稳定、高效的焊接工艺信息处理平台与航空发动机焊接工艺信息化系统，且系统具有良好的扩展性和开放的平台可编程接口。（2）不锈钢、碳钢、高温合金、钛合金等金属材料的钣金、冲压成形仿真。A）符合成形实际材料本身特性的材料模型；B）符合生产实际的成形有限元仿真模型（计算误差在20%以内）；C）基于仿真优化结果，生产出性能满足使用要求的产品。1.2.4 成果形式（1）航空发动机焊接工艺信息化系统。书面和电子文档形式的航空发动机焊接工艺信息标记语言、焊接工艺信息标记标准；适用的软件产品形式的航空发动机焊接工艺信息处理平台、焊接工艺信息化系统；合格的焊接零件。（2）不锈钢、碳钢、高温合金、钛合金等金属材料的钣金、冲压成形仿真。可靠的材料模型和成形有限元仿真模型；可用于实际应用的软件和数据资料；钣金、冲压成形技术报告；合格的钣金、冲压成形零件。1.2.5 研究周期研究周期为5年。1.3 协同仿真平台1.3.1 研究目标通过集成各学科的仿真分析工具和应用，建立一个集航空发动机设计、工艺、仿真、优化、流程管理、数据管理和知识管理一体化的协同仿真工作平台。通过此平台，管理仿真项目、工具、流程、数据和知识，优化企业虚拟产品开发和工艺设计的仿真过程；将仿真分析嵌入到产品开发和工艺设计初期，比以往更早地评估成果，降低开发成本，提高产品质量；集成各类CA工具和多学科耦合分析，更好地利用现有资源建立统一的仿真环境，实现单一环境下的多学科联合性能仿真与优化；利用自研软件和工具的集成，实现企业应用的整合。1.3.2 研究内容（1）如何通过协同仿真平台的桥梁作用，自动、快速地把设计的航空发动机模型转化成CAE模型，帮助工艺人员缩短花在大量事务性工作的时间，以便有更多的精力放于新产品的开发中。（2）如何让协同仿真平台能真正在广泛的范围内、且在不断升级变化的过程中，解决CAE集成问题。（3）如何让协同仿真平台在集成CAD、CAE系统的同时，嵌入可跨越不同领域、按照不同专业进行产品优化的系统。（4）如何实现不同地域协同仿真平台分析软件的共享。1.3.3 主要技术指标（1）知识管理库。仿真知识管理是协同仿真平台最关注的技术内容之一。建立知识管理库，将分析专家的经验整理形成分析规范，并要求所有的分析人员遵照执行，使仿真工作统一到分析专家的级别上，以提高工作成效。（2）仿真数据库。当仿真数据积累量足够多时，可形成规律性的结论。（3）仿真流程库。对于同一企业和行业，需要仿真的产品及其仿真类型通常是有限的。特别是对于同一体系的产品，即使产品的拓扑形状不同，但它们的仿真流程通常是相同的。因此，建立仿真流程库是必要和非常有意义的。（4）设计规范库。作为产品设计的标准，设计规范是人们长期工作经验的总结，是一项珍贵的智力资产。将规范中的产品材料、设计尺寸、校核规范等数据入库，在仿真工程中就可直接调用而无需翻阅手册。通过仿真结果和校核规范的对比，可以直接获知设计的有效性。（5）虚拟样机库。现代产品的设计绝大多数是变形设计，一个新产品90%以上的零部件是在原有产品基础上进行参数修改而成的。对于这些零部件，可以建立它们的仿真模型（包括几何模型、网格剖分、载荷施加、分析设置及结果察看等