飞机工厂如何寻求创新?AI设计师正在扛起重任

云栖号资讯小编 2020-02-20

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乍眼看去,下图的飞机结构模型更像是某种鸟类的仿生骨骼和肌肉模型,白色且粗细不一的合金桁架纵横交错,密密麻麻支撑着整个结构。这种奇异造型给人的第一印象是:它太脆弱,显得有些不稳定,可能无法满足飞行时的结构要求。

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不要上当,尽管看起来如此“脆弱”,它已经是成千上万种潜在结构设计方案中最结实的一种。在人工智能参与下,新的设计方式正在改变飞机这种人类最重要和最复杂工业产品的设计和制造方法。

在外行人眼中,民用客机的外部构造已经数十年没有什么改变:都是一样带着舷窗的大管子,机身大约一半处有两个后掠机翼向两侧伸出,机尾装有两个稳定翼——两个水平、一个垂直,而装有发动机的吊舱挂在机翼下方的支架上。

改进的空间存在于看不见的地方,比如,更好的材料使飞机变得更轻巧,改进的发动机降低了运营成本并降低噪音,更先进的航电设备有助于打造更安全的飞行。如今,随着计算机算力增长,飞机制造商在设计层面有了更多选择。

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一种名为“衍生式设计”的新设计方案,正由空中客车公司采用。所谓衍生式设计,其基本概念是设计师通过向电脑设定目标,告诉它想达到的结果和限制——一系列约束条件,设计产生和拓展出各种创意想法,最终产生新的设计内容。

从结果上来看,衍生式设计会产生出过去无法造出的复杂工程设计结果,而先进制造领域的迅速发展如今可落实这个梦想。

2015年,空中客车发布了其首个衍生式设计概念证明原型——“仿生隔板”,该结构用于分隔乘客舱和飞机厨房区域,也是飞机隔离板和后座支撑结构。“我们的隔板通常都非常重,基本就是一堵墙。” 空中客车工程师Bastian Schaefer说,“基本上需要通过材料和设计上的选择,创造一种新的结构。”

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空中客车的工作人员对仿生隔板的安置进行测试。

通常计算机生成的设计比人工设计方案更坚固、轻巧。得益于计算机算力的提升,快速的力学结构计算成为可能,完成结构设计后,再经由3D打印实现生产。而且,如开头所言,这种结构看起来都很怪异,很难被人想象出来,但正如生物学家D·Arcy Wentworth Thompson所言,“对象的形式就是其受力图”,借助3D打印技术,这些怪异的结构得以成为现实。

进行设计的工具由软件公司欧特克(Autodesk)提供,该公司研究院总监David Benjamin告诉界面新闻,采用衍生式设计生产出造型特别的部件并不奇怪:“就好像它们是自然过程中‘产生’而非‘制造’出来的,算法在结构内部进行调整,从而无需添加非必须的部件。”

“人类工程师总是有意或无意考虑制造限制因素。计算机就没有这种由来已久的偏见,因此它可以产生人类大脑永远不会想到的各种设计方案。” 欧特克制造和建筑产品高级副总裁Scott Reese说。

安全性是另一个考虑,这再次提高了飞机机舱内部各部件的需求。“我们还必须对隔板进行动载试验,即所谓的16g(重力单位)测试,保证组件的安全性。此外,它还涉及非常复杂的静态测试或各个方向的不同主题测试。” Bastian Schaefer说。

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空中客车公司估计,新的机舱隔板设计每年可节省多达46.5万吨二氧化碳排放。

另一个设计目标则是减排,飞机上的所有物品都带来了重量,使得油耗提高。根据《国家地理杂志》统计报道,乘客随身携带个人物品平均油耗费用颇为可观,比如笔记本电脑平均飞行油耗费用为23美分,枕头是6美分,杂志达到5美分,这些都是客机运营的隐藏成本。但由于航空燃料每公斤的能力密度要大于电池,而到目前为止替代石化燃料的尝试基本宣告失败,因此航空业是最不容易通过脱碳来减排的行业。

至今,基于衍生式设计,空中客车的仿生隔板已经进化到2.0版本, 重量比传统零件轻了45%,但强度相当。空中客车公司估计,新的机舱隔板设计每年可节省多达46.5万吨二氧化碳排放。

Bastian Schaefer还称,修改后的设计大幅提升了仿生隔板的生产可行性。第一个原型已经投入生产,工艺和技术的发展,已经到了可以更低的成本制造多个产品的阶段。”

空中客车还尝试使用衍生式设计来重新设计飞机的更多部件,从垂直尾翼(基于新设计,新产品比以前轻了20%),再到座椅腿和内部结构。以及如何优化飞机制造工厂以获得最佳生产/成本比。

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基于衍生式设计的3D打印垂直尾翼。

空中客车正计划在德国汉堡新建的一家发动机工厂就是例子,该工厂于今年动工。在欧特克帮助下,衍生式设计应用到其工厂建设中。

飞机制造不同于汽车的流水线制造方式,后者总成(一系列产品组成一个整体,实现一个特定功能的零部件系统的总称,如发动机总成)移动,物料固定。而飞机属于离散型制造的代表,总成不能做成流水线一样,物料一般围绕总成展开。

一家飞机制造工厂里的工人并不多,飞机则根据安装的不同步骤在不同的工位移动,关键在于控制零配件的生产项目进度,保证生产制造的成套性。无论是生产还是管理,其中的挑战并不小。

空中客车团队确定了要使用衍生式设计系统进行评估的10个限制条件,其中一些条件的重要性更高,比如效率和成本。员工工作条件、可持续性也是考虑选项之一。

“对于建筑物或飞机,必须考虑内部人员的舒适度,材料能耗,生产效率和成本。” David Benjamin说。

最终,计算机为空中客车提供了两项方案:占地面积超出常规的较大建筑物,或者对相同的工厂元素经过优化、占地更小的矩形面积的建筑物。

可想而知,当设计生产流程发生改变,底层供应体系也将迎来变化。初创公司Hack Rod创造出全球首辆在VR环境内、由衍生式设计指导的汽车。该公司创始人、前职业赛车手McCoy说:”结合协同创作的逼真VR设计与人工智能技术催生出的衍生式设计、机器学习和先进制造技术,会创造出未来的供应链,将大型组织的力量交到每个人的手中。”

“当我们制造第一个仿生隔板时,衍生式设计对于大多数客户来说可望不可即。然后有人问,机翼可以这样做?工厂设计能不能同样如此?”David Benjamin说。“但始终,我们着眼于衍生式设计的大范围应用。”

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原文发布时间:2020-02-19
本文作者:彭新
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