在飛機設計中的仿真技術

仿真技術在飛機設計中發(fā)揮著越來越重要的作用，本文闡述了國內(nèi)外在飛機設計中廣泛使用的結構強度計算，多體動力學仿真、多學科多目標結構優(yōu)化、內(nèi)外流場分析、非線性有限元分析、疲勞強度分析、電磁仿真分析，機電液聯(lián)合仿真分析等，介紹了各種仿真技術的應用范圍，為飛機的機械設計及研究提供參考。

機械產(chǎn)品設計是一個近代完善的過程，尤其對于飛機等航空器是集各種先進科技成果于一體的產(chǎn)品，設計結果都需要進行反復多次的地面試驗，才能驗證設計結果能否符合要求。

在仿真技術獲得大規(guī)模應用之前，大部分試驗都是依靠產(chǎn)品樣機進行的，不僅成本高昂，而且試驗一旦失敗，對后續(xù)設計將會產(chǎn)生極大影響，無形之中增加研制成本，研制周期也得不到保證，隨著現(xiàn)代計算機仿真技術的發(fā)展，在飛機設計中，越來越多的使用虛擬仿真技術。在概念設計階段，仿真技術可以快速預測產(chǎn)品強度及性能，是試驗無法取代的。

目前，使用較為廣泛的有：結構強度計算，多體動力學仿真、多學科多目標結構優(yōu)化、內(nèi)外流場分析、非線性有限元分析、疲勞強度分析、電磁仿真分析，機電液聯(lián)合仿真分析。

01結構強度分析

飛機的設計中，滿足結構強度要求是設計的首要要求，可以一票否決設計成果。影響結構強度的主要因素有材料的種類和性質、截面積、形狀等，數(shù)年來，新材料的發(fā)展還不成熟，因此在飛機設計中應用的不多。

設計人員往往考改變結構的形狀來提高設計產(chǎn)品的強度，在機械產(chǎn)品的最薄弱部位增加受力面，隨著仿真軟件的發(fā)展，這些已不是困擾設計員的主要問題，在飛機的零組件設計中，更為突出的強度問題是無法得到零組件所受真實荷載，有時候設計員甚至靠估算或放大載荷數(shù)來計算產(chǎn)品的強度，估計結果不利于產(chǎn)品的輕量化設計，目前是困擾設計員強度計算的主要問題，亟待要求更為準確的荷載計算方法。

02多體動力學仿真

飛機的零組件往往需要運動才能實現(xiàn)飛機的性能，利用多體運動力學仿真分析軟件對各個機構進行運動仿真，得到運動時間、運動周期、運動速度、各個零組件的受力等的參數(shù)，用戶可以用交互圖形環(huán)境和零件庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學和理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動力學方程，對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析。

目前多體動力學仿真在剛體運動機械領域比較成熟，盡管金屬材料的剛度很大，但是剛體分析往往不能反映產(chǎn)品的真實運動規(guī)律，通常情況下，需要把剛體轉化成柔性體進行仿真計算。

03多學科多目標結構優(yōu)化

新的飛機產(chǎn)品涉及的學科越來越多，科技越來越精尖，使得傳統(tǒng)涉及越來越難滿足新產(chǎn)品的需要，不但浪費大量的材料，而且投入了大量的人力，新的多學科優(yōu)化的工具，擁有全面的結構優(yōu)化能力，能為概念設計和詳細設計踢狗豐富的優(yōu)化方法，包括拓撲優(yōu)化、形貌優(yōu)化、自由尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、自由形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化，用來解決懸掛發(fā)射裝置骨架，機構等部件的優(yōu)化問題，減輕整體重量，為輕量化設計提供依據(jù)。

04內(nèi)外流場仿真

目前內(nèi)外流場仿真是飛機設計必須采用的仿真技術，內(nèi)流場通常指飛機的負責管道流動，有液壓、氣壓等，外流場仿真主要指飛機所受氣動載荷，為外形設計提供參考。

內(nèi)流場主要的分析難點在于管道和閥系的精確仿真，無論何種閥系，都涉及到真實閥門動作過程,也就是開啟(關閉)瞬間的復雜流場問題,在閥門開啟過程中,流場在不斷的高速變化,是流體分析領域內(nèi)非常難的復雜流固耦合和動流場網(wǎng)格問題.如果得到精確的結果,必須不斷對流場進行重新網(wǎng)格劃分。

這在傳統(tǒng)流體仿真軟件是非常難和繁瑣的過程,因此,在復雜的閥系流動仿真的過程中必須引入流體與結構耦合仿真模塊,可以非常方便地處理運動部件與流場的相互耦合作用,得到流場在部件運動過程中的流體特性瞬態(tài)變化規(guī)律。內(nèi)流場另外一個難點在于超高壓流體仿真，在仿真過程中，多數(shù)情況下是不收斂的，需要非常有經(jīng)驗的工程師通過間接方法進行仿真計算。

外流場方面，仿真技術多采用通用有限元軟件，劃分網(wǎng)格，加邊界條件，在亞音速條件下，仿真計算比較簡單快捷，計算結果也較準確，但超音速條件下，計算時和內(nèi)流場超高壓計算相似，都存在精度不夠的問題，處理方法同內(nèi)流場。

05非線性仿真分析

飛機的各個零組件等產(chǎn)品在試驗和使用的過程中遇到許許多多靜力學無法解決的問題，產(chǎn)品的裂紋，齒輪齒牙的脆裂等，這些問題單靠簡單的靜力學解決手段，智能簡單預測裂紋寬展和產(chǎn)品壽命，因此必須引入非線性分析來解決接觸、大變形等輔助的結構問題。

06疲勞強度分析

在航空產(chǎn)品需求的大背景下，疲勞分析通長進行耐久性疲勞壽命分析，可用于結構的初始裂紋分析，裂紋擴展分析、應力壽命分析、焊接壽命分析、整體壽命預估、疲勞優(yōu)化設計、振動疲勞分析、多軸疲勞分析、電焊疲勞分析虛擬應變片測量及數(shù)據(jù)采集等；軟件擁有豐富的疲勞斷裂相關材料庫、疲勞載荷和時間歷程庫等，能夠可視化疲勞分析的各類損傷、壽命結果。用于主要承力組件的整體壽命預估、疲勞優(yōu)化設計等。

07電磁仿真分析

飛機只有結構設計是不夠的，還有很重要的一部分是電磁伺服控制系統(tǒng)。電磁控制系統(tǒng)是飛機能夠實現(xiàn)其功能的關鍵。往往需要進入電磁仿真分析，主要用來分析電磁作動機的電磁鐵、電磁閥、電磁繼電器、電機、變壓器、傳感器等電磁裝置的靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)特性。

直接耦合電磁場分析得到的各種地刺損耗作為熱源，通過熱分析得到電磁設備的溫升等熱特性，可通過分析設備在正常運行時對各種參數(shù)變化的敏感度，確保設計參數(shù)處于制造容差范圍內(nèi)，?？蓪缀涡螤?、材料屬性、激勵源，邊界條件的設置參數(shù)、工作頻率、以及直線或旋轉運動位置坐參數(shù)化和優(yōu)化分析，從而選擇最佳設計方案。

08電液聯(lián)合仿真

一般來講，飛機設計是一個復雜的系流工程，涉及到上述等多個學科的仿真分析，過去只停留在單元件仿真分析，不能系統(tǒng)聯(lián)合仿真評估的問題。目前，單一學科的仿真分析，往往不能滿足現(xiàn)代飛機設計的需要，可以通過機電液聯(lián)合仿真技術實現(xiàn)對飛機的系統(tǒng)仿真設計。

這種方法需要引入多個仿真分析軟件，相互參考相互印證，主要問題的難點在于軟件間數(shù)據(jù)的傳遞誤差，隨著軟件數(shù)量的增加，傳遞的誤差越來越大，很難保證仿真的橫度，數(shù)據(jù)傳遞誤差是今后仿真工程師應該攻克的一大難題。

01論證階段

在論證階段，基于仿真技術建立概念樣機，開展關鍵性能指標和子系統(tǒng)的虛擬驗證，并結合虛擬現(xiàn)實等技術實現(xiàn)對飛機概念及原理的虛擬展示和初步驗證，從而“贏得”項目。

02方案階段

在方案階段，可以通過仿真進行多方案篩選和最終方案早期驗證，同時在一些物理試驗無法開展的極端工況下，可利用仿真技術在更廣闊的設計空間中進行探索，實現(xiàn)方案最優(yōu)化，如飛機總體設計中往往采用CFD 計算確定第一輪氣動載荷輸入，并在后續(xù)一些風洞試驗無法開展的極端工況下用數(shù)值仿真進行驗證，擴大設計探索范圍。

03工程研制階段

在工程研制階段，仿真全面融入產(chǎn)品詳細設計過程，包括各子系統(tǒng)和零部件設計，通過“設計- 仿真”的反復迭代，最終確定拓撲結構、幾何形狀、零部件尺寸和設備參數(shù)，實現(xiàn)仿真驅動設計。

另外，在工程研制階段需要進行大量研發(fā)試驗，通過仿真技術應用可簡化和支撐研發(fā)階段的物理試驗。如通過仿真進行試驗工況的初步篩選，減少試驗車次；對試驗件性能進行驗證，減少試驗返工；對試驗大綱和試驗方案進行優(yōu)化和評估，對試驗趨勢進行初步預測和評估，從而確保試驗一次成功。

仿真技術的不斷發(fā)展，對于飛機的設計要求也越來越高，研究也更加深入具體。仿真技術在飛機設計領域發(fā)展多年來，雖然取得了許多成績，但是在各個學科及學科間都存在無法攻克的難題，需要仿真工程師進一步研究更精確的仿真技術。

審核編輯 ：李倩