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[BIM技术] 航空制造业各领域低调却惊艳的软件

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CATIA基础教程 发表于 2020-3-23 16:16:10 | 显示全部楼层 |阅读模式
CATIA基础教程
2020-3-23 16:16:10 1014 0 看全部
  航空制造业拥有一百多年的发展历史,随着外部形势和环境条件的变化,其涉及面已十分广泛,按大类可分为数控加工、钣金成形、特种加工、表面工程、焊接、机械连接、飞机装配、数字化制造、热加工和增材制造十个领域。而现代航空制造技术在多学科、多领域的基础上正朝着自动化、智能化、轻小型集成化的方向发展着,除了离不开这些领域加工制造技术的突飞猛进,也离不开其背后软实力的发展。
  航空制造业的百年历史
  1初期发展阶段:自莱特兄弟造出世界上第一架飞机到第一次世界大战这段时间,飞机都是布木结构的双翼飞机,用一般内燃机作动力,只需要简单的木工和一般的机械制造技术就可以制造出来。
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 图莱特兄弟的早期飞机(博物馆还原模型)

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  图莱特兄弟手工制造飞机

  紧随莱特兄弟创建第一家飞机公司之后,美国和欧洲迅速出现了其他一些飞机制造企业。在这一时期,这些企业的规模一般都比较小,近似于作坊。有些企业发展延续到现在,如洛克希德公司和罗罗公司等;而有些企业是经过整合后发展,如布雷盖公司和英国的几家飞机公司;当然也有很多企业消失。这些企业和个人在世界航空制造业发展进程中发挥了重要作用。
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 图罗罗公司早期生产线

  2体系形成及二战阶段:第一次世界大战使得(军事)航空工业实现第一次大发展。全世界的企业数量达到约200家,航空发动机厂80家,战争期间生产的飞机和发动机数量分别为20多万架和23万多台。
  而二战的巨大军事需求刺激了世界(军事)航空工业的第二次大发展,航空制造业也实现快速发展和持续扩张。战争期间空军成为重要军种,飞机性能迅速提高,参战飞机数量大、种类多。飞机生产达到高峰,全世界总产量约100万架。二战期间,活塞发动机(军用)飞机发展达到巅峰极限。得益于福特汽车的诞生和汽车行业的发展成果,飞机的生产制造和装配也引进了流水线批量作业的概念,但自动化水平相对较低。
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  图二战时期波音B-29装配线

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  图二战期间的洛克希德公司加州伯班克工厂

  3喷气动力时期:二战后,军用航空订货锐减,同时飞机由活塞动力向喷气动力跨越,航空制造业再一次经受严峻考验。随着喷气技术的发展,飞机性能、可靠性、经济性、效费比要求的提高,以及新材料、新结构的大量涌现,飞机生产对制造技术提出更加苛刻的要求。与二战时期相比,航空制造技术的自动化水平日益提高,人的作用逐步被机械和软件所取代。
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 图F-22战斗机装配车间

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  图喷气飞机生产线

  4现代航空制造业:现代航空制造技术是集现代科学技术成果之大成的制造技术,远远高于一般机械制造技术。由先进的航空制造技术支撑的航空工业被誉为工业之花,它集中代表了一个国家的最高制造业水平和技术实力。
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 图现代航空制造技术的自动化装配

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 图先进航空制造技术中的自动化加工技术

  而这些高精尖的技术的实现,除了过硬的硬件条件保障,同时也离不开应用日益广泛的航空制造软件的背后支撑,这里面用到的软件也是五花八门,多种多样。
  数控加工:Mastercam是美国CNC Software Inc.公司开发的一款软件,不但拥有强大的数控编程、三维实体造型等功能,还有强大的曲面粗加工和精加工功能,特别是其刀具路径校验功能能够检查出刀具和夹具与工件的干涉、碰撞情况,在各类铣床、车床和线切割等数控加工场合应用广泛,为预加工提供了良好的环境。
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 图Mastercam软件封面

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  图Mastercam设计数控加工路径

  PowerMILL是英国Delcam Plc公司出品的一款功能强大、加工策略丰富的数控加工编程软件,从数控加工的工程概念出发,能够对实体模型全自动处理,且编程操作的难易程度与零件的复杂程度无关,易于粗、精加工的全自动化。该软件还能检查和排除运动干涉,计算刀具路径时间,从而为用户提供完善的加工策略,提高加工效率。
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图13 PowerMILL软件封面

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 图PowerMILL提供完善的加工策略

  钣金成形:Autoform是德国Autoform工程公司开发的一款专门针对金属成形工业中板料成形的软件,特别适合于复杂的深拉延河拉伸成形设计、冲压工艺和模面设计的验证、成形参数优化、耗材最小化设计、拼焊板和复合板的评估优化等。约90%的冲压和飞机零件制造商都用它来进行产品开发、工艺规划和模具研发。
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 图Autoform软件封面

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 图飞机薄壁结构冲压成形设计

  Pam-stamp是一套专门用于钣金成形仿真的软件系统,由法国的ESI公司开发,迄今为止是世界上唯一整合了有限元模拟求解方案的成形软件。该软件易于上手,能够实现模具设计可行性分析、快速成型模拟、回弹预测、回弹自动补偿、模具型面输出等功能。
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 图Pam-stamp软件封面

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 图飞机结构成形仿真

  出自一个体系,与Pam-stamp堪称姐妹花的另一个模块,Pam-tube能够对各种弯曲比例的复杂管材进行成形仿真,包括弯曲成形和液压成形,在飞机的管路制造上应用广泛。
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 图Pam-tube广泛应用于飞机管路制造仿真

  特种加工:FastCAM是一款全自动的共边连割套料软件,主要应用于特种加工中的火焰、等离子、激光和水刀等切割编程。在处理时可自动实现共边,即通过合理排布使得每个矩形零件少切一条或两条边,有效减少切割行程,借助切割边缘预热,缩短预热时间以及提高切割效率,同时减少零件间的切割间距,提高材料利用率。
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 图FastCAM软件封面

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 图FastCAM软件设计界面

  Band5 WEDM是一款专为快走丝线切割自动编程的软件,能够兼容目前市面上各种常见的线切割系统。只要用鼠标绘制出要加工的图形,就能立即生成加工代码,代码可直接传送至机床控制台,节约大量时间;同时该软件拥有强大的零件查找功能,几秒钟就能在数以千计的加工零件中找到目标。
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图Band5 WEDM软件封面

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 图Band5 WEDM设计线切割路径

  表面工程:SimCoat软件主要用于对材料表面喷射涂层工艺的建模和仿真,快速而精确地获得涂层信息,如厚度、粗糙度、孔隙率等,帮助用户制定合理的喷射涂层工艺,选择不同种类的液体和熔化金属涂层,确定最佳的参数特征(如液滴喷射速率、尺寸分布、液体温度和基片温度等)。该软件分析速度快,普通电脑上1cm2的喷涂在一小时内可以得到精确结果。
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图SimCoat对涂层的仿真分析

  Chemkin软件最早由美国Sandia实验室开发,经过多年不断发展日趋完善,成为一款用于求解复杂化学反应问题的软件,在表面工程中常用于催化过程、化学气相沉积、等离子体及其他化学反应的模拟。该软件以气相动力学、表面动力学和传递过程三个核心软件包为基础,提供了21中常见化学反应的模型及后处理程序。
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  图Chemkin的功能介绍

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 图砷化镓化学气相沉积模拟(CVD反应器中)

  焊接:Sysweld是法国ESI公司开发的一款一种专用于焊接工艺模拟的应用软件,能够实现机械、热传导和金属冶金的耦合计算。借助于装配模型向导,Sysweld能够实现对复杂组合模型焊接后应力和变形的分析,采用局部和全局的耦合计算,将局部焊接造成的残余应力以较简单的方式加载到全局模型上以进行空间变形模拟。目前,随着其功能的日趋完善,Sysweld在热处理领域也开始大展拳脚,发挥重要的作用。
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  图Sysweld软件封面

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 图Sysweld模拟焊接结构中的残余应力分布

  Simufact.welding也是一款专门针对焊接领域的仿真软件,属于大型仿真软件Simufact中的一个功能模块。该软件拥有基于FEM(有限单元法)的前后处理功能,可以方便地创建多机械手仿真模型,而每个机械手均可以根据用户需求来定义多条焊接路径,且焊接方向和路径易于通过程序修改。该软件采用熟悉的Windows界面,即使没有CAE软件经验,良好的操作环境也利于很快上手。
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 图Simufact.welding软件封面

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 图飞机蒙皮加强筋焊接结构内应力仿真

  机械连接:Abaqus是一套功能强大的工程模拟有限元软件,能够解决简单的线性分析及许多复杂的非线性问题。该软件包含丰富的材料模型库,例如金属、橡胶、高分子材料、土壤岩石等多种材料。该软件不但可以做单一零件的力学和多物理场分析,还可以做系统级的分析和研究,相对于其他软件来说这一点是独一无二的。在机械连接结构方面,可解决大量应力位移问题,特别是结构中应力强度校核、断裂失效仿真等问题。
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 图Abaqus启动界面

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 图Abaqus用于机械连接结构强度校核

  SolidWorks是达索系统(Dassault Systems)旗下子公司研发的一套软件,该软件功能强大,覆盖产品全周期,已成为领先的、主流的CAD解决方案。该软件具有功能强大、易学易用和技术创新三大特点,在提供不同设计方案的同时,能够减少设计过程中的错误以及提高产品质量。在机械连接方面,得益于其特有的拖拽功能,使用户可以在较短时间内完成各个机械部件的机械连接,方便用户从工装角度进行查看。
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图SolidWorks软件封面

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图飞机的工装连接

  飞机装配:CATIA是IBM公司和达索公司合作后推出的一款三维CAD/CAE/CAM集成软件,在产品外形设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析模拟等领域具有强大的功能,已成为国际航空工业首选软件。在虚拟装配方面,CATIA软件除了拥有先进的混合建模技术、强大的三维实体造型功能以及全面的装配设计模块之外,还可以对虚拟装配的装配模型进行干涉校验,并生成检测报告,及时发现装配中存在的干涉点。
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 图CATIA软件封面

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 图CATIA中航空发动机的装配

  Delmia是达索公司面向生产过程物流仿真分析开发的三维数字化工厂软件,可优化车间布置、生产成本和工艺流程等,能够帮助工程师选择最好的生产装配工艺流程,核查生产装配线布局规划的合理性,梳理阻滞现象或闲置现象,提前做出修正,优化资源配置,减少风险与成本,实现数字工厂效益最大化。同时,它与CATIA设计解决方案、ENOVIA数据管理协同方案紧密结合,能够给用户带来实实在在的益处。
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 图Delmia软件封面

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 图装配流程优化设计

  数字化制造:UG(Unigraphics)NX是西门子公司开发的一个交互式CAD/CAM系统,随着PC硬件的发展和个人用户的迅速增长,已经成为三维设计领域的一个主流应用。可以轻松实现各种复杂实体及造型的构建,将复杂多变的信息转化为二进制代码,用计算机进行快速处理,为用户的产品设计及加工过程提供数字化造型和验证手段。它包含了产品设计、工程制造全范围的开发过程,广泛应用于航空制造领域。
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 图UG NX软件封面

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 图发动机数字化建模

  Tecnomatix是西门子PLM推出的一个综合性数字化制造解决方案系统,把所有的制造学科与工艺布局规划和设计、工艺过程仿真与验证、制造执行和产品工程相连接,并借助于配置产品库和资源数据库,让开发、仿真、验证和离线设计等进入自动化流程,构建可动数字样机,为优化流程以及计算开发时间表各阶段(从概念形成到付诸实施)的周期时间提供一个平台。
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 图Tecnomatix提供端到端的数字化制造平台

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  图数字化制造流程仿真

  热加工:Flow3d是美国Flow Science公司开发的具有高度可靠性的一套CFD软件,在流动问题、金属铸造和航空航天等领域有着广泛的应用。该软件不需要额外加购网格生成模块或者时候处理模块,可独立完成前后处理工作,在热加工方面,支持管内流动、管外流动、自由液面流动模式,能够处理铸造中金属固化、熔化、热循环、缺陷追踪、砂模湿气、浇注紊流、两相混合流等多种复杂工况。
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图Flow 3d软件封面

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图Flow 3d铸造模拟

  ProCAST是由美国UES(Universal Energy System)公司开发的铸造过程模拟软件,采用有限元(FEM)数值计算和综合求解方法处理铸件充型、凝固和冷却过程等,提供了很多模块和工程工具来满足铸造工业最富挑战的需求。同时能够预测严重畸变和残余应力的发生,并能设计浇注系统、通气孔、溢流孔和冒口的位置和大小等。该软件可用于仿真半固态成形、吹芯工艺、离心铸造、消失模铸造、连续铸造等特殊工艺。
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 图ProCAST软件封面

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 图砂型铸造仿真

  3D打印:Sketchup是一款极受欢迎并易于使用的3D设计软件,官方网站将它比作电子设计中的“铅笔”,因为它的创作过程能够充分表达设计师的思想而且完全满足与客户即时交流的需要。它具有方便的推拉功能,设计师通过一个图形就能方便地生成三维几何体,无需进行复杂的三维建模。除此之外,能够快速生成任意位置的剖面,方便设计师从任意角度了解内部结构。该软件已成为三维设计创作中十分优秀的工具。
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 图Sketchup软件封面

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 图机舱内部3D建模

  在3D打印中,好的切片软件往往是其核心所在,MakerBot就是其中的典型代表。MakerBot是由美国MakerBot公司开发的一款切片软件,其操作界面非常简单,只需几个简单的步骤即可完成三维模型的切片。该软件同时还能预估打印所需要的时间及耗费材料的重量,同时辅助作用的支撑构件易于剥离,对于打印复杂悬臂结构非常合适。
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  图MakerBot软件及配套打印机

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  图3D打印喷气动力发动机引擎

  结语:未来制造,航空先行。随着“互联网+”时代的到来,先进航空制造技术在实现自动化的目标之上正全力迈向数字化的发展道路。数字化制造讲求硬实力与软实力的相辅相成,在现有加工制造水平突破提升的同时,由于这些功能强大的软件加入,航空制造技术正逐步臻于完美。而反过来思考,正是由于航空工业的飞速发展,对航空制造业提出了更高的要求,这也会刺激着航空制造软件的百花齐放。在这样的良性循环下,先进航空制造技术及其软件应用系统必将走上快车道,实现长足的进步和发展。
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