在飛機(jī)設(shè)計(jì)中的仿真技術(shù)

仿真技術(shù)在飛機(jī)設(shè)計(jì)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，本文闡述了國(guó)內(nèi)外在飛機(jī)設(shè)計(jì)中廣泛使用的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，多體動(dòng)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(chǎng)分析、非線(xiàn)性有限元分析、疲勞強(qiáng)度分析、電磁仿真分析，機(jī)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(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)及研究提供參考。

1引言

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)近代完善的過(guò)程，尤其對(duì)于飛機(jī)等航空器是集各種先進(jìn)科技成果于一體的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)結(jié)果都需要進(jìn)行反復(fù)多次的地面試驗(yàn)，才能驗(yàn)證設(shè)計(jì)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(yàn)都是依靠產(chǎn)品樣機(jī)進(jìn)行的，不僅成本高昂，而且試驗(yàn)一旦失敗，對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)將會(huì)產(chǎn)生極大影響，無(wú)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(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，在飛機(jī)設(shè)計(jì)中，越來(lái)越多的使用虛擬仿真技術(shù)。在概念設(shè)計(jì)階段，仿真技術(shù)可以快速預(yù)測(cè)產(chǎn)品強(qiáng)度及性能，是試驗(yàn)無(wú)法取代的。

目前，使用較為廣泛的有：結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，多體動(dòng)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(chǎng)分析、非線(xiàn)性有限元分析、疲勞強(qiáng)度分析、電磁仿真分析，機(jī)電液聯(lián)合仿真分析。

2飛機(jī)設(shè)計(jì)中的仿真技術(shù)

01結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

飛機(jī)的設(shè)計(jì)中，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求是設(shè)計(jì)的首要要求，可以一票否決設(shè)計(jì)成果。影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要因素有材料的種類(lèi)和性質(zhì)、截面積、形狀等，數(shù)年來(lái)，新材料的發(fā)展還不成熟，因此在飛機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的不多。

設(shè)計(jì)人員往往考改變結(jié)構(gòu)的形狀來(lái)提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品的強(qiáng)度，在機(jī)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(jì)員的主要問(wèn)題，在飛機(jī)的零組件設(shè)計(jì)中，更為突出的強(qiáng)度問(wèn)題是無(wú)法得到零組件所受真實(shí)荷載，有時(shí)候設(shè)計(jì)員甚至靠估算或放大載荷數(shù)來(lái)計(jì)算產(chǎn)品的強(qiáng)度，估計(jì)結(jié)果不利于產(chǎn)品的輕量化設(shè)計(jì)，目前是困擾設(shè)計(jì)員強(qiáng)度計(jì)算的主要問(wèn)題，亟待要求更為準(zhǔn)確的荷載計(jì)算方法。

02多體動(dòng)力學(xué)仿真

飛機(jī)的零組件往往需要運(yùn)動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的性能，利用多體運(yùn)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件對(duì)各個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得到運(yùn)動(dòng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)周期、運(yùn)動(dòng)速度、各個(gè)零組件的受力等的參數(shù)，用戶(hù)可以用交互圖形環(huán)境和零件庫(kù)、力庫(kù)，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。

目前多體動(dòng)力學(xué)仿真在剛體運(yùn)動(dòng)機(jī)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(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通常情況下，需要把剛體轉(zhuǎn)化成柔性體進(jìn)行仿真計(jì)算。

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

新的飛機(jī)產(chǎn)品涉及的學(xué)科越來(lái)越多，科技越來(lái)越精尖，使得傳統(tǒng)涉及越來(lái)越難滿(mǎn)足新產(chǎn)品的需要，不但浪費(fèi)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(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)踢狗豐富的優(yōu)化方法，包括拓?fù)鋬?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(lái)解決懸掛發(fā)射裝置骨架，機(jī)構(gòu)等部件的優(yōu)化問(wèn)題，減輕整體重量，為輕量化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

04內(nèi)外流場(chǎng)仿真

目前內(nèi)外流場(chǎng)仿真是飛機(jī)設(shè)計(jì)必須采用的仿真技術(shù)，內(nèi)流場(chǎng)通常指飛機(jī)的負(fù)責(zé)管道流動(dòng)，有液壓、氣壓等，外流場(chǎng)仿真主要指飛機(jī)所受氣動(dòng)載荷，為外形設(shè)計(jì)提供參考。

內(nèi)流場(chǎng)主要的分析難點(diǎn)在于管道和閥系的精確仿真，無(wú)論何種閥系，都涉及到真實(shí)閥門(mén)動(dòng)作過(guò)程,也就是開(kāi)啟(關(guān)閉)瞬間的復(fù)雜流場(chǎng)問(wèn)題,在閥門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中,流場(chǎng)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(dòng)流場(chǎng)網(wǎng)格問(wèn)題.如果得到精確的結(jié)果,必須不斷對(duì)流場(chǎng)進(jìn)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(guò)程,因此,在復(fù)雜的閥系流動(dòng)仿真的過(guò)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(yùn)動(dòng)部件與流場(chǎng)的相互耦合作用,得到流場(chǎng)在部件運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的流體特性瞬態(tài)變化規(guī)律。內(nèi)流場(chǎng)另外一個(gè)難點(diǎn)在于超高壓流體仿真，在仿真過(guò)程中，多數(shù)情況下是不收斂的，需要非常有經(jīng)驗(yàn)的工程師通過(guò)間接方法進(jìn)行仿真計(jì)算。

外流場(chǎng)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(jì)算比較簡(jiǎn)單快捷，計(jì)算結(jié)果也較準(zhǔn)確，但超音速條件下，計(jì)算時(shí)和內(nèi)流場(chǎng)超高壓計(jì)算相似，都存在精度不夠的問(wèn)題，處理方法同內(nèi)流場(chǎng)。

05非線(xiàn)性仿真分析

飛機(jī)的各個(gè)零組件等產(chǎn)品在試驗(yàn)和使用的過(guò)程中遇到許許多多靜力學(xué)無(wú)法解決的問(wèn)題，產(chǎn)品的裂紋，齒輪齒牙的脆裂等，這些問(wèn)題單靠簡(jiǎn)單的靜力學(xué)解決手段，智能簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)裂紋寬展和產(chǎn)品壽命，因此必須引入非線(xiàn)性分析來(lái)解決接觸、大變形等輔助的結(jié)構(gòu)問(wèn)題。

06疲勞強(qiáng)度分析

在航空產(chǎn)品需求的大背景下，疲勞分析通長(zhǎng)進(jìn)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(kuò)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(jì)、振動(dòng)疲勞分析、多軸疲勞分析、電焊疲勞分析虛擬應(yīng)變片測(cè)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(kù)、疲勞載荷和時(shí)間歷程庫(kù)等，能夠可視化疲勞分析的各類(lèi)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(jì)等。

07電磁仿真分析

飛機(jī)只有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)其功能的關(guān)鍵。往往需要進(jìn)入電磁仿真分析，主要用來(lái)分析電磁作動(dòng)機(jī)的電磁鐵、電磁閥、電磁繼電器、電機(jī)、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(chǎng)分析得到的各種地刺損耗作為熱源，通過(guò)熱分析得到電磁設(shè)備的溫升等熱特性，可通過(guò)分析設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)對(duì)各種參數(shù)變化的敏感度，確保設(shè)計(jì)參數(shù)處于制造容差范圍內(nèi)，?？蓪?duì)幾何形狀、材料屬性、激勵(lì)源，邊界條件的設(shè)置參數(shù)、工作頻率、以及直線(xiàn)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)位置坐參數(shù)化和優(yōu)化分析，從而選擇最佳設(shè)計(jì)方案。

08電液聯(lián)合仿真

一般來(lái)講，飛機(jī)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系流工程，涉及到上述等多個(gè)學(xué)科的仿真分析，過(guò)去只停留在單元件仿真分析，不能系統(tǒng)聯(lián)合仿真評(píng)估的問(wèn)題。目前，單一學(xué)科的仿真分析，往往不能滿(mǎn)足現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)的需要，可以通過(guò)機(jī)電液聯(lián)合仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)。

這種方法需要引入多個(gè)仿真分析軟件，相互參考相互印證，主要問(wèn)題的難點(diǎn)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(lái)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(jī)設(shè)計(jì)中仿真技術(shù)應(yīng)用價(jià)值

01論證階段

在論證階段，基于仿真技術(shù)建立概念樣機(jī)，開(kāi)展關(guān)鍵性能指標(biāo)和子系統(tǒng)的虛擬驗(yàn)證，并結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)概念及原理的虛擬展示和初步驗(yàn)證，從而“贏得”項(xiàng)目。

02方案階段

在方案階段，可以通過(guò)仿真進(jìn)行多方案篩選和最終方案早期驗(yàn)證，同時(shí)在一些物理試驗(yàn)無(wú)法開(kāi)展的極端工況下，可利用仿真技術(shù)在更廣闊的設(shè)計(jì)空間中進(jìn)行探索，實(shí)現(xiàn)方案最優(yōu)化，如飛機(jī)總體設(shè)計(jì)中往往采用CFD 計(jì)算確定第一輪氣動(dòng)載荷輸入，并在后續(xù)一些風(fēng)洞試驗(yàn)無(wú)法開(kāi)展的極端工況下用數(shù)值仿真進(jìn)行驗(yàn)證，擴(kuò)大設(shè)計(jì)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(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程，包括各子系統(tǒng)和零部件設(shè)計(jì)，通過(guò)“設(shè)計(jì)- 仿真”的反復(fù)迭代，最終確定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、幾何形狀、零部件尺寸和設(shè)備參數(shù)，實(shí)現(xiàn)仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。

另外，在工程研制階段需要進(jìn)行大量研發(fā)試驗(yàn)，通過(guò)仿真技術(shù)應(yīng)用可簡(jiǎn)化和支撐研發(fā)階段的物理試驗(yàn)。如通過(guò)仿真進(jìn)行試驗(yàn)工況的初步篩選，減少試驗(yàn)車(chē)次；對(duì)試驗(yàn)件性能進(jìn)行驗(yàn)證，減少試驗(yàn)返工；對(duì)試驗(yàn)大綱和試驗(yàn)方案進(jìn)行優(yōu)化和評(píng)估，對(duì)試驗(yàn)趨勢(shì)進(jìn)行初步預(yù)測(cè)和評(píng)估，從而確保試驗(yàn)一次成功。

4總結(jié)

仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于飛機(jī)的設(shè)計(jì)要求也越來(lái)越高，研究也更加深入具體。仿真技術(shù)在飛機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)展多年來(lái)，雖然取得了許多成績(jī)，但是在各個(gè)學(xué)科及學(xué)科間都存在無(wú)法攻克的難題，需要仿真工程師進(jìn)一步研究更精確的仿真技術(shù)。

來(lái)源：楊建江