盤點：航空制造業各領域低調卻驚艷的軟件（上）

2016-08-08 by:CAE仿真在線來源:互聯網

航空制造業擁有一百多年的發展歷史,隨著外部形勢和環境條件的變化,其涉及面已十分廣泛,按大類可分為數控加工、鈑金成形、特種加工、表面工程、焊接、機械連接、飛機裝配、數字化制造、熱加工和增材制造十個領域。而現代航空制造技術在多學科、多領域的基礎上正朝著自動化、智能化、輕小型集成化的方向發展著,除了離不開這些領域加工制造技術的突飛猛進,也離不開其背后軟實力的發展。那么今天,小編就帶大家了解一下航空制造技術的軟實力,看看再航空制造領域都用了哪些低調而功能強大的軟件。

圖1 先進航空制造技術

在正式介紹軟件之前,先回答一個問題:在航空制造業發展之初,沒有這些強大的軟件,人們又是如何造飛機的?這里我們有必要講述一下航空制造技術的發展歷史,答案就在其中。

航空制造業的百年歷史

1初期發展階段

自萊特兄弟造出世界上第一架飛機到第一次世界大戰這段時間,飛機都是布木結構的雙翼飛機,用一般內燃機作動力,只需要簡單的木工和一般的機械制造技術就可以制造出來。

圖2 萊特兄弟的早期飛機(博物館還原模型)

圖3 萊特兄弟手工制造飛機

緊隨萊特兄弟創建第一家飛機公司之后,美國和歐洲迅速出現了其他一些飛機制造企業。在這一時期,這些企業的規模一般都比較小,近似于作坊。有些企業發展延續到現在,如洛克希德公司和羅羅公司等;而有些企業是經過整合后發展,如布雷蓋公司和英國的幾家飛機公司;當然也有很多企業消失。這些企業和個人在世界航空制造業發展進程中發揮了重要作用。

圖4 羅羅公司早期生產線

2體系形成及二戰階段

第一次世界大戰使得(軍事)航空工業實現第一次大發展。全世界的企業數量達到約200家,航空發動機廠80家,戰爭期間生產的飛機和發動機數量分別為20多萬架和23萬多臺。

而二戰的巨大軍事需求刺激了世界(軍事)航空工業的第二次大發展,航空制造業也實現快速發展和持續擴張。戰爭期間空軍成為重要軍種,飛機性能迅速提高,參戰飛機數量大、種類多。飛機生產達到高峰,全世界總產量約100萬架。二戰期間,活塞發動機(軍用)飛機發展達到巔峰極限。得益于福特汽車的誕生和汽車行業的發展成果,飛機的生產制造和裝配也引進了流水線批量作業的概念,但自動化水平相對較低。

圖5 二戰時期波音B-29裝配線

圖6 二戰期間的洛克希德公司加州伯班克工廠

3噴氣動力時期

二戰后,軍用航空訂貨銳減,同時飛機由活塞動力向噴氣動力跨越,航空制造業再一次經受嚴峻考驗。隨著噴氣技術的發展,飛機性能、可靠性、經濟性、效費比要求的提高,以及新材料、新結構的大量涌現,飛機生產對制造技術提出更加苛刻的要求。與二戰時期相比,航空制造技術的自動化水平日益提高,人的作用逐步被機械和軟件所取代。

圖7 F-22戰斗機裝配車間

圖8 噴氣飛機生產線

4現代航空制造業

現代航空制造技術是集現代科學技術成果之大成的制造技術,遠遠高于一般機械制造技術。由先進的航空制造技術支撐的航空工業被譽為工業之花,它集中代表了一個國家的最高制造業水平和技術實力。

圖9 現代航空制造技術的自動化裝配

圖10 先進航空制造技術中的自動化加工技術

而這些高精尖的技術的實現,除了過硬的硬件條件保障,同時也離不開應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?功能有多么強大呢?下面小編就以這十個領域為主,帶大家領略一下這些軟件的神奇吧。

數控加工

Mastercam是美國CNC Software Inc.公司開發的一款軟件,不但擁有強大的數控編程、三維實體造型等功能,還有強大的曲面粗加工和精加工功能,特別是其刀具路徑校驗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、車床和線切割等數控加工場合應用廣泛,為預加工提供了良好的環境。

圖11 Mastercam軟件封面

圖12 Mastercam設計數控加工路徑

PowerMILL是英國Delcam Plc公司出品的一款功能強大、加工策略豐富的數控加工編程軟件,從數控加工的工程概念出發,能夠對實體模型全自動處理,且編程操作的難易程度與零件的復雜程度無關,易于粗、精加工的全自動化。該軟件還能檢查和排除運動干涉,計算刀具路徑時間,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工程公司開發的一款專門針對金屬成形工業中板料成形的軟件,特別適合于復雜的深拉延河拉伸成形設計、沖壓工藝和模面設計的驗證、成形參數優化、耗材最小化設計、拼焊板和復合板的評估優化等。約90%的沖壓和飛機零件制造商都用它來進行產品開發、工藝規劃和模具研發。

圖15 Autoform軟件封面

圖16 飛機薄壁結構沖壓成形設計

Pam-stamp是一套專門用于鈑金成形仿真的軟件系統,由法國的ESI公司開發,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,能夠實現模具設計可行性分析、快速成型模擬、回彈預測、回彈自動補償、模具型面輸出等功能。

圖17 Pam-stamp軟件封面

圖18 飛機結構成形仿真

出自一個體系,與Pam-stamp堪稱姐妹花的另一個模塊,Pam-tube能夠對各種彎曲比例的復雜管材進行成形仿真,包括彎曲成形和液壓成形,在飛機的管路制造上應用廣泛。

圖19 Pam-tube廣泛應用于飛機管路制造仿真

特種加工

FastCAM是一款全自動的共邊連割套料軟件,主要應用于特種加工中的火焰、等離子、激光和水刀等切割編程。在處理時可自動實現共邊,即通過合理排布使得每個矩形零件少切一條或兩條邊,有效減少切割行程,借助切割邊緣預熱,縮短預熱時間以及提高切割效率,同時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軟件設計界面

Band5 WEDM是一款專為快走絲線切割自動編程的軟件,能夠兼容目前市面上各種常見的線切割系統。只要用鼠標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床控制臺,節約大量時間;同時該軟件擁有強大的零件查找功能,幾秒鐘就能在數以千計的加工零件中找到目標。

圖22 Band5 WEDM軟件封面

圖23 Band5 WEDM設計線切割路徑

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的噴涂在一小時內可以得到精確結果。

圖24 SimCoat對涂層的仿真分析

Chemkin軟件最早由美國Sandia實驗室開發,經過多年不斷發展日趨完善,成為一款用于求解復雜化學反應問題的軟件,在表面工程中常用于催化過程、化學氣相沉積、等離子體及其他化學反應的模擬。該軟件以氣相動力學、表面動力學和傳遞過程三個核心軟件包為基礎,提供了21中常見化學反應的模型及后處理程序。