《未来制造：数智化时代的制造新模式》案例选⑧｜虚拟制造——波音飞机的虚拟制造实践

编者按习近平总书记指出，“必须始终高度重视发展壮大实体经济，抓实体经济一定要抓好制造业”。制造业是国家经济命脉所系，是立国之本、强国之基。制造业作为国民经济中复杂程度高、产业链长、影响范围广的关键领域，“新物种”也呈爆发式涌现。同时，具有颠覆性影响力、渗透力的数字技术持续出现，数字经济时代制造业“新物种”的爆发也在继续。本系列摘取《未来制造：数智化时代的制造新模式》一书中的制造新模式，给企业提供一个学术界的观察视角，以期推动制造新模式的进一步创新，涌现更多的制造新模式，供读者参考。

波音飞机的虚拟制造实践

虚拟制造是基于工业知识与计算机仿真、建模等信息技术，数字化模拟产品结构、制造和装配过程以及检验检测过程并实现快速升级迭代的生产模式。

（一）“图纸+风洞试验”与虚拟制造

虚拟制造产生之前，航空领域，无论军用还是民用飞机，新机型开发均采用“图纸+风洞试验”模式：设计师设计好图纸，工程师根据图纸按照相应的结构、性能和功能要求建造飞机原型，最后通过风洞测试飞机的起飞、直行、转向、降落的安全性，以及在风雨雷电雪等不同环境下的可靠性。鲜有新机型一次性通过风洞试验，大多数原型产品在风洞试验中因为这样或那样的原因无法通过测试，于是设计师需要根据风洞试验的结果修改设计图纸，工程师则需要再一次建造

飞机原型，而新飞机原型也需要再一次接受风洞测试，循环往复直到顺利通过风洞试验。“图纸+风洞试验”作为飞机新品开发模式而言成本极高。因为飞机作为复杂产品，成本极高。没有通过风洞试验意味着这些造价不菲的飞机原型全部化为乌有，而回收价值很低，跟开发成本相比，几乎可以忽略不计。为了减少原型产品风洞试验失败造成的损失，早在信息技术飞速发展的20世纪70年代，就有人提出采用虚拟制造技术建造数字原型的构想：利用计算机辅助设计软件（简称CAD）和虚拟现实软件，在计算机中建立一个可视化的飞机原型，并模拟各类环境，检测数字原型机的各项性能。设计师和工程师将在可视化的环境下，观察数字原型机存在的问题，及时修改完善产品，最后一次性通过风洞试验，由此减少“图纸+风洞试验”开发模式造成的损失。

但是虚拟制造很晚才被运用在飞机开发上。“图纸+风洞试验”模式使飞机制造商从螺旋桨小飞机时代迈向喷气式大飞机时代，也被制造商用于开发超音速飞机，图纸越来越厚，研发成本越来越高。这类路径依赖存在于很多领域，飞机新品开发亦如此。波音在20世纪60年代研制出的卖得最好的波音737和宽体客机波音747使用的是“图纸+风洞实验”开发模式；空客——波音最有实力的竞争对手，70年代末开发空客A300时也采用的是“图纸+风洞试验”模式；随后1978年波音767的研制，1979年波音757的研制依旧采用的是“图纸+风洞试验”模式，直到空客A320系列飞机逐渐占领全球市场份额，波音终于决定尝试新的缩减成本的工艺——虚拟制造。

（二）虚拟制造怎样工作

波音777是波音公司首次完全利用计算机绘图进行设计的飞机， 是世界第一款完全以计算机立体CAD绘图技术设计的民用飞机，该技术又称CATIA（Computer-aided Three-dimensional Interactive Application），整个设计过程不使用纸张绘图，而是使用一套称为CATIA的三维计算机辅助设计软件。虚拟制造主要包含虚拟产品、虚拟工艺、虚拟装配和虚拟性能检测等环节。虚拟产品环节方便集成商和零部件供应商之间的沟通。大飞机，作为典型的复杂产品，采用的是“集成商+供应商”模式。为了生产波音777，波音作为复杂产品集成商，要跟全球17个国家900多家供应商采购300万零部件，虚拟产品有助于波音根据零部件向供应商提出更为具体的功能和性能要求，有效降低沟通交流成本。

虚拟工艺在改进流程、优化布局方面发挥重要的作用。飞机制造过程中，成本最高的是装配环节，大约占成本的40%。虚拟装配模拟装配过程及时发现问题，对零部件的结构、性能提出有效的改进方案，能有效减少因装配错误导致的成本损失以及提高装配效率。

虚拟性能检测是虚拟制造的另一个环节，也是波音另一项庞大投资。为了测试模拟机身在实际操作时会遇上的各种问题，波音专门建立了“整合飞机系统实验室”，各个部件在独立的测试平台上反复操作，通过测试后相关部件会整合为八个子系统继续系统整合测试，包括起落架、客舱管理系统、电子电源辅助系统、刹车、襟翼系统、电子引擎管理系统、自动驾驶飞行指示系统和飞行资讯管理系统。除了八个整合测试外，波音另建三个实验室，分别是系统整合实验室、驾驶舱模拟实验室和飞行控制测试装置。

（三）虚拟制造的支撑条件

虚拟制造具有多技术集成、高知识密集度的特点，研发成本极高；研发成功后边际使用成本低，因为基本架构在运用中得以验证，以极小成本迭代升级后可重复利用。这要求各类技术要成熟到一定的程度，虚拟制造在实验室有了部分的实现和应用；其应用价值能在预期内涵盖其超高的研发成本，驱动虚拟制造成功应用。20世纪80年代各类技术逐渐成熟，而战略新兴产业、航空制造业进入抢占市场份额的激烈竞争阶段，亟须找到降低成本提高效益的新突破点，二者结合成就了虚拟制造新模式。

面对空客燃油性能高的中远程双发客机A320，波音需要研发出自己的具有竞争力的产品才能在中远程航空市场上站稳脚跟。20世纪80年代末，波音和空客双方都不断挖掘结构优化、新材料的可能潜力，但是新工艺开发方面存在巨大的敞口。空客虽然已经使用了CAD设计，但是没有向最耗时最耗财力的飞机装配环节延伸。波音通过打通虚拟产品、虚拟工艺、虚拟装配和虚拟性能检测等虚拟制造的全流程，将产品开发周期缩短了一半、提高风洞试验的成功率等，显著降低研发、制造测试成本，能继续与空客展开全方位的竞争。