虚拟现实技术在飞机设计中的应用

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1、虚拟现实技术在飞机设计中的应用AppH踢tionofVirtualR电aUtyTechnologyinAircmftDesi印中航工业第一飞机设计研究院姚雄华李磊西北工业大学机电学院张杰姚雄华硕士．现任中航工业第一飞机设计研究院副总设计师．研究员。曾参与多种军、民机结构．强度设计与研究工作。并主管飞机数字化设计等预研课题工作。20世纪60年代，人们提出虚拟现实(VirtualRealitv，VR)概念。随着计算机图形、仿真、人工智能和多媒体等技术的发展，VR技术在80年代后逐步兴起，在军事和航空航天领域的模拟和训练中起到举足轻重的作用，且在其他民用行业也逐步得现代飞机

2、技术越来越复杂、性能要求也更加苛刻，而研制周期却越来越短。应用VR技术已成为确保飞机研制成功最关键的手段之一。在飞机设计过程中，应用VR技术提前开展性能仿真演示、人机工效分析、总体布置、装配与维修性评估，能够及早发现、弥补设计缺陷，实现“设计一分析一改进"的闭环迭代。到了较广泛应用，如3D电影、远程医疗、虚拟驾驶、虚拟演播等。VR利用计算机技术生成一个逼真的，具有视、听、触与力感等多种感知的虚拟环境，具有实时三维空间表现能力和人机交互的操作环境，给人带来身临其境的感受，有效扩展了人类认知手段和领域，必将使众多传统行业和产业发生革命性的改变。vR具有3一I特征，即沉浸(

3、Immersion)、交互(Interaction)和构想(Imagination)。它借助交互设备可以使产品设计者以接近自然的方式与虚拟环境中的设计对象进行交互，对用户的位置、姿态和语言等做出实时响应，并能方便展开创新联想。VR实现“人在回路”的虚拟设计与仿真，具有替代物理样机的巨大潜力，是2l世纪军事科技中最有可能从根本上改变武器系统研制方式的技术。VR技术在飞机设计中的应用现状现代飞机技术越来越复杂、性能要求也更加苛刻，而研制周期却越来越短，应用VR技术已成为确保飞机研制成功最关键的手段之一。在飞机设计过程中，应用VR技术提前开展性能仿真演示、人机工效分析、总体

4、布置、装配与维修性评估，能够及早发现、弥补设计缺陷，实现“设计一分析一改进”的闭环迭代。VR技术对飞机设计能力的促进作用体现在以下3个方面：(1)让用户在产品设计初期进2013年第3期·航空制造技术67行沉浸式虚拟体验，增强用户信心，抢占市场先机；(2)基本取代实物样机，变“后实物验证”为“先虚拟体验”，大量节省飞机研制经费、缩短研制周期，符合绿色航空设计和低碳经济理念；(3)避免将设计缺陷带入后续研制阶段，大大减少反复更改活动，真正实现了设计一次成功，提升飞机质量。目前，欧美先进航空企业，尤其是波音、空客等公司在飞机设计中的很多业务领域都采用了VR技术。用VR技术虚

5、拟设计波音747获得成功，是近年来引起科技界瞩目的一件大事。波音747飞机有300多万个零件组成，这些零件以及飞机的整体设计在一个由数百台工作站的VR环境系统上进行。设计师戴上头盔显示器，就能穿行于这个虚拟的“飞机”中，去审视“飞机”的各项设计。过去为设计一架新型的飞机必须先建造两个实体模型，每个造价约为60万美元。应用该技术后，不仅节省了研制经费、缩短了研制时间，而且保证了机翼和机身对合的一次成功％继波音747后，2008年基于VR技术设计的波音787飞机正式试飞。波音787的研制技术基本代表了发达国家目前先进设计技术的水平和应用现状。另外，在波音777和空客A38

6、0的设计过程中，以VR为代表的新一代数字化先进设计技术将整体项目进度和飞机研制成本缩短、降低了将近一半。此外，欧直公司从2010年起在德国多瑙沃特建立VR工作室，可在一个6m×2．5m尺寸的屏幕上以互动、沉浸的方式操作整个直升机或各个部件，开展多专业协同设计与设计效果体验评估。总体来说，西方发达国家已充分认识到了vR技术对飞机研制的重要意义，并已将VR技术纳入方案设计阶段的设计流程，使工68航空制造技术·2013年第3期程师沉浸于虚拟环境中提前开展设计优化与分析评估。近十几年来，我国飞机数字化设计技术已取得很大的突破，几个主要的飞机设计单位也初步建立了投人型vR环境，

7、如中航工业第一飞机设计研究院在型号研制中尝试使用VR技术进行座舱布置设计、虚拟拆装和人机工效分析(图1)，取得了一定的效果。但是，当前国内还没有将VR技术与数字化设计流程进行有效地结合，只针对于设计流程上的单点环节和个别专业进行了局部的工程应用，而更多的应用偏重于产品演示，使用效果非常有限。问题的原因在于：现有的VR应用通常针对飞机设计过程中的某一单点需求进行，对于VR环境中产品信息的获取和输入、仿真分析结果的输出和反馈、设计／仿真数据综合管理、业务过程控制、设计业务使能工具等关键问题，国内还没有给出完整的解决方案，更没有形成基于VR的飞机设计与仿真