計算機輔助設計的創新與變革

時間：2024-07-23 16:37:21 計算機輔助設計

計算機輔助設計的創新與變革

　　CAD(計算機輔助設計)方法在脊柱側彎矯形器領域應用以后，逐漸發展為快速模板化設計和完全個性化設計兩大類。計算機輔助設計(CAD)從最初的設想發展至今，已走過了20多年，為民用航空發展做出了很多貢獻。鑒于設計精度和成本效益等優勢，CAD得到了顯著發展。隨著計算機集成技術的出現，CAD技術開始越來越多地應用于更復雜的設計任務。

　　新趨勢

　　在下一代飛機的制造中越來越多地采用了復合材料，致使CAD軟件供應商也在調整其解決方案。因為復合材料機身與傳統機身在強度、剛度、特性和工藝性上有明顯不同，其機身修復就截然不同，所以對軟件中的仿真工具也要求不斷增多，而且需要將CAE集成于CAD軟件包中，幫助制造商和維修企業完成最好的設計和準確地測試復合材料部件性能。

　　隨著軟件供應商逐步擴大CAD軟件的功能范圍，軟件的性能和可訪問性的局限性日趨突顯。例如，考慮波音777等大組件的數字化設計時，由于該結構包含了300多萬個部件，所以當用戶執行打開文件或保存信息等操作時，CAD軟件的運行速度比設計單個部件或由100個部件組成的組件更慢。

　　二維和三維軟件能通過確定設計、工程和制造各階段的影響因素，模擬真實環境自動繪制圖像，這不僅節省時間和成本，還能為工程師提供比手繪更精確的可視化圖像。

　　此外，CAD軟件開發商還在努力使軟件更易上手，便于工程師在幾周內精通CAD軟件。現在，使用CAD軟件更是工程師在制造、工程、維修等領域從事工程工作時的必備技能。近十年來，隨著越來越多的快速成形和工裝設備的發展,以及新型輕質材料的日趨流行，CAD軟件在航空航天制造領域得到了穩步發展。

　　市場現狀

　　當前，CAD市場的收入超過70億美元，為航空航天業提供CAD解決方案的最大供應商主要有美國的Autodesk和PTC、德國的西門子和法國的達索系統公司，其中最受歡迎的是達索系統的CATIA產品。該產品集CAD、計算機輔助制造(CAM)、計算機輔助工程(CAE)功能于一體。CAM利用設計數據控制自動化加工，CAE可用于測試材料強度和疲勞壽命等特性。

　　另一款流行的軟件是達索系統的SolidWorks，它最初起源于美國，后于1997年被達索系統收購。SolidWorks具有廣泛的用戶群，包括Taylor-Deal航空(TDA)維修企業和航電制造商EAD宇航等。達索系統公司認為CAD軟件在功能擴展上已經發生了很大的變化，遠遠超越了簡單的設計、建模，而是涵蓋了機械、電氣、校驗和數據管理等多個方面。

　　適用于維修企業的軟件

　　眾所周知，CAD軟件已經幫助飛機制造商大幅提升了制造能力，而今在飛機設計階段也逐漸開始考慮維修性。達索系統公司認為，近年來最大的發展趨勢是重視擴大下游工程，即產品全壽命周期中的工程活動，也被稱為“軟性制造”。重視下游工程包括技術出版物出版、相關檢測、基于模型的定義和企業相關軟件，以及維修手冊的編寫等。

　　因為CAD軟件可以為設計工程師和負責開發維修手冊的工程師提供協同環境。即設計工程師應在設計零件和組件的同時開發維修服務手冊，并與通過SolidWorks, Catia 或其他CAD軟件包導出的資源文檔實現自動鏈接。這樣除了能夠更快速生成手冊，還能使技術出版物的編寫部門與設計工程部門保持持久關聯，從而保證手冊更新升級的及時性和手冊的準確性。

　　通常維修企業也可以使用CAD和CAM軟件開發能夠更快速、高效地更換損傷部件的程序。目前，很多CAD軟件供應商認為飛機維修業是其未來業務增長的主要市場之一。但維修企業也有些特殊性，其對于成本非常敏感，并且在多個項目并行時更愿意尋求相關解決方案。對此，軟件供應商為維修企業推出許多術語類桌面訂閱軟件，允許用戶根據需要在規定時間內購買更多的訂閱服務。

　　產品壽命管理解決方案

　　除了CAM和CAE之外，CAD的另一分支是產品壽命管理(PLM)，即將材料費、維修手冊數據、適航指令、服務通告等文檔與三維建模軟件相結合形成一種新軟件。雖然PLM是從CAD演變而來的，但它是涵蓋了從飛機的設計階段到飛機營銷階段整個過程的一種軟件系統。

　　西門子公司自2007年收購UG(Unigraphics NX)解決方案以來，其PLM軟件現已在市場上突顯優勢。UG軟件最初是由美國飛機制造商麥道公司于上世紀70年代開發的，俄羅斯蘇霍伊飛機公司曾將其用于蘇霍伊“超級噴氣”100的機身設計中。

　　西門子認為，制造商在早期設計階段就考慮了零部件的可維修性，這使維修企業受益良多。例如，設計人員必須確保發動機維修人員能夠訪問到其維修所需的所有相關數據。而且通過軟件在虛擬環境中模擬人機交互，可判斷真實工作環境下工程師能否接近某個部件、能否輕松地將其修復或更換。也就是說，通過PLM軟件用戶能夠在早期階段了解到是否可以在不拆卸整臺發動機的情況下實際接近這部分組件，提供一個認證預演。盡管這并不能取代實際的認證過程，但是客戶可以利用這些信息證明其飛機通過了系統測試。

　　應用優點

　　通常，CAD軟件升級的障礙是其可用性和升級成本，特別是對于一些規模小的公司而言這一問題尤為嚴重。不過近年來這一問題已開始有所解決。例如，軟件的授權模式除了傳統的固定價格購買模式，還引入了訂閱模式，為用戶提供租用軟件或“按需支付”合同兩種選項，價格范圍從幾百美元到5000美元不等。

　　CAD軟件能為航空制造商或維修企業帶來實實在在的投資回報，被認為是CAD軟件的主要優點之一。全球知名咨詢公司TechNavio認為，通過使用CAD軟件能夠降低近80%的設計和研發成本。

　　但到底哪種CAD軟件最合適于自身的需求，這是一個挑戰。按照經驗，許多公司會選擇一個主CAD軟件平臺，可能是SolidWorks、NX或Creo中的任何一個，然后再選擇一些其他輔助軟件平臺。甚至可能是將CAD軟件與公司其他系統相連，如與PLM相連，直接開展從模擬到材料測試等一整套工作。

　　云計算的出現大大影響了CAD的發展。由于云計算使用戶能夠創建適用于移動辦公人員的私有云和適用于遠程訪問的云應用。所以預計在未來幾年內，云計算將進一步影響CAD的發展，并且這也會影響維修企業對CAD及相關程序的使用方式。

　　例如，在進行材料審查時，必須快速分析部件并判斷其適航性，但是有些計算工具需要1~2小時才能完成，但如果利用云端的10臺、20臺甚至100臺計算機則可在1~2分鐘內得出結論。

　　另一方面，對于航空制造商而言CAD解決方案會進一步與其他平臺集成使用，集設計、制造、工程及維修于一體。涵蓋了產品從早期設計到產品壽命結束整個過程，使用戶可以在項目的任何時刻介入，并能隨時訪問到需要的任何相關信息。總之，隨著CAD軟件功能的不斷豐富，其在民用航空領域發揮的作用必將越來越大。

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