在飛機設(shè)計中的仿真技術(shù)

仿真技術(shù)在飛機設(shè)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(shè)計中廣泛使用的結(jié)構(gòu)強度計算，多體動力學(xué)仿真、多學(xué)科多目標(biāo)結(jié)構(gòu)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(shù)的應(yīng)用范圍，為飛機的機械設(shè)計及研究提供參考。

1引言

機械產(chǎn)品設(shè)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(shè)計結(jié)果都需要進行反復(fù)多次的地面試驗，才能驗證設(shè)計結(jié)果能否符合要求。

在仿真技術(shù)獲得大規(guī)模應(yīng)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(shè)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(shù)的發(fā)展，在飛機設(shè)計中，越來越多的使用虛擬仿真技術(shù)。在概念設(shè)計階段，仿真技術(shù)可以快速預(yù)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(jié)構(gòu)強度計算，多體動力學(xué)仿真、多學(xué)科多目標(biāo)結(jié)構(gòu)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。

2飛機設(shè)計中的仿真技術(shù)

01結(jié)構(gòu)強度分析

飛機的設(shè)計中，滿足結(jié)構(gòu)強度要求是設(shè)計的首要要求，可以一票否決設(shè)計成果。影響結(jié)構(gòu)強度的主要因素有材料的種類和性質(zhì)、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(shè)計中應(yīng)用的不多。

設(shè)計人員往往考改變結(jié)構(gòu)的形狀來提高設(shè)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(shè)計員的主要問題，在飛機的零組件設(shè)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(shè)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(jié)果不利于產(chǎn)品的輕量化設(shè)計，目前是困擾設(shè)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(xué)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(xué)仿真分析軟件對各個機構(gòu)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(xué)和理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析。

目前多體動力學(xué)仿真在剛體運動機械領(lǐng)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(zhuǎn)化成柔性體進行仿真計算。

03多學(xué)科多目標(biāo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

新的飛機產(chǎn)品涉及的學(xué)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(xué)科優(yōu)化的工具，擁有全面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化能力，能為概念設(shè)計和詳細設(shè)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(gòu)等部件的優(yōu)化問題，減輕整體重量，為輕量化設(shè)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(shè)計必須采用的仿真技術(shù)，內(nèi)流場通常指飛機的負責(zé)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(shè)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(guān)閉)瞬間的復(fù)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(lǐng)域內(nèi)非常難的復(fù)雜流固耦合和動流場網(wǎng)格問題.如果得到精確的結(jié)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(fù)雜的閥系流動仿真的過程中必須引入流體與結(jié)構(gòu)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(shù)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(jié)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(xué)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(xué)解決手段，智能簡單預(yù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的初始裂紋分析，裂紋擴展分析、應(yīng)力壽命分析、焊接壽命分析、整體壽命預(yù)估、疲勞優(yōu)化設(shè)計、振動疲勞分析、多軸疲勞分析、電焊疲勞分析虛擬應(yīng)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(guān)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(jié)果。用于主要承力組件的整體壽命預(yù)估、疲勞優(yōu)化設(shè)計等。

07電磁仿真分析

飛機只有結(jié)構(gòu)設(shè)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?qū)崿F(xiàn)其功能的關(guān)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(shè)備的溫升等熱特性，可通過分析設(shè)備在正常運行時對各種參數(shù)變化的敏感度，確保設(shè)計參數(shù)處于制造容差范圍內(nèi)，海可對幾何形狀、材料屬性、激勵源，邊界條件的設(shè)置參數(shù)、工作頻率、以及直線或旋轉(zhuǎn)運動位置坐參數(shù)化和優(yōu)化分析，從而選擇最佳設(shè)計方案。

08電液聯(lián)合仿真

一般來講，飛機設(shè)計是一個復(fù)雜的系流工程，涉及到上述等多個學(xué)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(xué)科的仿真分析，往往不能滿足現(xiàn)代飛機設(shè)計的需要，可以通過機電液聯(lián)合仿真技術(shù)實現(xiàn)對飛機的系統(tǒng)仿真設(shè)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(yīng)該攻克的一大難題。

3飛機設(shè)計中仿真技術(shù)應(yīng)用價值

01論證階段

在論證階段，基于仿真技術(shù)建立概念樣機，開展關(guān)鍵性能指標(biāo)和子系統(tǒng)的虛擬驗證，并結(jié)合虛擬現(xiàn)實等技術(shù)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(shù)在更廣闊的設(shè)計空間中進行探索，實現(xiàn)方案最優(yōu)化，如飛機總體設(shè)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(fēng)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(shè)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(shè)計過程，包括各子系統(tǒng)和零部件設(shè)計，通過“設(shè)計- 仿真”的反復(fù)迭代，最終確定拓撲結(jié)構(gòu)、幾何形狀、零部件尺寸和設(shè)備參數(shù)，實現(xiàn)仿真驅(qū)動設(shè)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(shù)應(yīng)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(yù)測和評估，從而確保試驗一次成功。

4總結(jié)

仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，對于飛機的設(shè)計要求也越來越高，研究也更加深入具體。仿真技術(shù)在飛機設(shè)計領(lǐng)域發(fā)展多年來，雖然取得了許多成績，但是在各個學(xué)科及學(xué)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(shù)。

來源：楊建江