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CAI在中国航空工业领域的应用 |
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发展具有核心竞争力的中国航空工业是当前的重要任务，而加快发展我国航空工业的关键是全面增强企业自主创新的能力。
目前国内航空业正处于高速发展的黄金时代，大型飞机及新型战机等项目为我们提供了难得的发展机遇。但长期以来，我国航空企业的技术创新一直是引进、吸收、模仿，改进一个模式，为实现航空工业在21世纪的突围和振兴，加强关键技术预研和重点型号研制中的自主创新和主动创新，掌握自主知识产权是发展航空工业的必由之路。计算机辅助创新(CAI)以其先进的创新理论和方法及其高效的创新设计平台，整合先进的仿真，管理等技术，将是我国航空工业走向自主创新的有效途径。
国内外研究现状
传统的CAD/CAE/CAM等计算机辅助技术对帮助航空工业缩短型号研制周期、降低科研成本起到了关键作用，但这些CAX家族的技术不能预测产品的技术发展趋势、不能保证设计出的产品是否满足需求、不能保证产品投入市场是否具有竞争力，因此前些年来，我国航空业以引进、吸收、模仿、改进这样一个发展模式，传统的CAX技术无法保证产品的创新性，而计算机辅助创新(CAI)技术将填补CAX家族的空白，帮助航空企业提高研发人员的原创能力，并以有效的创新方法和高效的创新设计平台在研发过程的早期阶段突破专业思维定势．获得创新的解决方案。
CAI技术是将创新理论(TRIZ)．本体论、知识管理理论以及现代设计方法学和计算机软件技术相结合的产物。运用CAI技术进行创新设计，同时运用CAX家族中的其它产品对创新的设计概念进行计算机图形化，辅助以仿真、质量管理、精益制造等技术，必为航空工业的发展带来革命性的发展。TRIZ源于前苏联，经过60多年的发展，现在已经是个完善的理论体系，包含自己的术语、工具以及特定的算法等(见图1)。TRIZ是CAI的核心理论，而应用CAI设计平台解决创新问题的时候，我们要遵循人类思考问题的方式，那就是要经过分析问题-分解问题-解决问题-评价问题解决方案-形成知识这样一个过程，CAI设计平台同样也遵循这样的思维模式，具有系统分析、问题分解、解决方案、方案评价，知识管理以及形成专利这样六大模块，是目前世界上最先进的创新设计平台。
图1 TRIZ理论方法、工具集
TRIZ理论和CAI技术已为国外的航空工业带来了巨大的经济价值。我国航空工业应用TRIZ理论和CAI技术起步比较晚，近2年来，中国一航集团正在逐步学习和应用TRIZ理论以及CAI技术。2007年到2008年，中国一航集团面向研发生产一线科研人员，组织以TRIZ为主的技术创新方法培训。
航空工业领域创新案例分析
中国一航集团组织的一航总师班在学习TRIZ理论和CAI技术时，科研技术人员带着航空工业不同领域的实际的工程问题，他们应用创新的思维方法和创新设计工具，解决了困惑多年的技术难题，打破了遏制航空业发展的技术瓶颈。
飞机壁板结构减重
在解决任何问题之前，要对工况有一个详细的了解。机翼壁板是机翼承受外部气动载荷的主要承力构件，与周围结构连接成整体，把外载荷传递分散到各部位，对机翼外型起保持稳定和定位、为机翼燃油提供贮存和保护作用。目前壁板结构是采用铆钉把桁条与蒙皮连接起来，两块壁板之间用对接板通过螺钉连接成一大块壁板。其结构重量过大，超过允许值。
图2 飞机机翼壁板结构
解决问题之前，我们要进行建立系统组件模型，这里和传统的系统模型有所不同，系统组件模型的建立是为了便于应用CAI设计平台进行创新设计时的功能分析，系统组件模型包括超系统、系统组件以及子系统组件。
如图3所示，系统组件模型包括了机翼内燃油以及周围结构，系统组件模型以及功能分析着眼于系统的功能而不是结构，功能分析的目的是找到系统的薄弱环节和系统内存在的多对矛盾，通过对薄弱环节的改善和矛盾的解决，从而提高系统的功能，这里有必要强调的一点是，系统组件模型和传统设计的系统组件模型不同之处是超系统组件，传统设计中的系统模型不包括周围环境结构或系统作用对象，比如建立传统飞机机翼系统组件模型时，不会考虑周围的机构和机翼内的然后。
图3 系统组件模型
图4是系统结构模型，通过系统结构模型我们很直观的找出系统组件之间作用关系，便于我们在建立复杂的系统功能模型的时候，能够更加容易查找各个组件之间的作用关系。
图4 系统结构模型
图5是在CAI设计平台中建立的系统功能模型，技术系统是功能的载体，是为了实现某个特定的功能而存在的，系统功能模型是对既有技术系统进行功能建模，建立技术系统的功能单元，以及功能单元之问的相互作用关系。
图5 系统功能模型
通过功能分析，找到系统内存在3对技术矛盾，2对物理矛盾以及2个物场薄弱环节，通过CAI创新平台解决方案模块中的创新原理和76个标准解，最后创新性地得到了7个解决方案，如表所示。表 创新原理及其解决方案
 腹鳍操纵装置
某型飞机为改善飞行操控性能在其尾部下方安装了一个腹鳍。为确保在飞机起降过程中不擦伤腹鳍，设计了一套液压操纵装置来控制腹鳍：使其在飞机起降时收上，在空中飞行时放下，处于工作状态。该装置由腹鳍、作动筒、护板、导管等构成，腹鳍上部通过铰链轴连接在机身正下方；为了保证作动筒转动灵活，作动筒的上部通过球形铰链固定在机身下方，作动筒的下部通过铰链轴固定在腹鳍中部；为了保护作动筒，在作动筒上安装了一块铝制护板用于整流，护板上、下两处各焊接了一个卡子，护板利用卡子和螺栓固定在作动筒上。其工作原理是由作动筒推动腹鳍绕铰链轴旋转，以实现腹鳍的收放。
图6 腹鳍操纵装置
现有飞机在飞行一段时间后，尤其是在低空大表速飞行后，护板与卡子连接处经常发生裂纹，护板严重变形等问题，工厂不得不准备大量的护板备件进行更换来保证飞机的正常使用。在分析了问题产生的工况之后，应用CAI设计平台问题分解模块的三轴分析法来查找产生问题的根本原因以及可以利用的资源和操作时序，这样科研人员就可以根据可以利用的资源和操作时序，应用相应的创新原理和知识在相关的根本原因节点来解决问题，一方面可以突破传统思维，创新性地解决了问题，另一方面有效地利用了航空工业的资源，可能大大降低研发成本。
图7是三轴分析法的RCA分析，通过RCA分析，很容易找到产生的问题的矛盾，其中包括一对技术矛盾(改善护板的强度，恶化了护板的重量)和一对物理矛盾(起降时需要护板大表面积，飞行时需要护板小表面积)，到方案解决模块查找相应的创新原理，经对工程人员启发，得到如图8所示方案。基于对应用技术矛盾，物理矛盾及物场分析寻找到的全部可能的解决方案的综合分析并结合工厂目前的具体情况，拟采用在护板上开气流通过孔的方案来解决护板裂纹问题。
图7 三轴分析法的RCA分析
通过对系统的功能模型的建立，进行系统功能分析，从而发现系统存在的薄弱环节和矛盾。也可以通过对初始问题的问题分解，利用三轴分析法去查找问题的根本原因和可以利用的资源和操作时序，最终也是发现系统存在的薄弱环节和矛盾。当然系统分析模块和问题分解模块可以同时进行，相互印证，根据自身的情况，选择适合的方案。 
图8 新腹鳍操纵装置
四、结论
自主创新是国家独立自主的基础，是支撑国家强盛的筋骨，是国家竞争力的核心。中国一航深刻认识到了自主创新对提升中国一航核心竞争力、推动中国一航发展的重要意义，提出了“大力加强自主创新，建设创新型中国一航”的发展目标，并将出台加速建设创新型中国一航的指导意见。2008年，中国一航集团将这一意见进一步落实，针对性地开展“技术创新力发展培训班”的计划，以期在集团内将自主创新任务落实到每一位科研人员。
航空工业对国防建设、经济发展，制造业升级具有不可替代的促进作用。鉴于航空工业的发展现状，我国以成立大飞机公司和一二航合并为契机开启了航空工业改革的大门。计算机辅助创新技术也将在中国航空工业全新的发展阶段发挥其无可替代的重要价值。(end)
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(5/28/2009) |
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