在飛機設計中的仿真技術

仿真技術在飛機設計中發揮著越來越重要的作用，本文闡述了國內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化、內外流場分析、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。

1引言

機械產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模應用之前，大部分試驗都是依靠產品樣機進行的，不僅成本高昂，而且試驗一旦失敗，對后續設計將會產生極大影響，無形之中增加研制成本，研制周期也得不到保證，隨著現代計算機仿真技術的發展，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化、內外流場分析、非線性有限元分析、疲勞強度分析、電磁仿真分析，機電液聯合仿真分析。

2飛機設計中的仿真技術

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，數年來，新材料的發展還不成熟，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品的強度，在機械產品的最薄弱部位增加受力面，隨著仿真軟件的發展，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來計算產品的強度，估計結果不利于產品的輕量化設計，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，用戶可以用交互圖形環境和零件庫、力庫，創建完全參數化的機械系統幾何模型，其求解器采用多剛體系統動力學和理論中的拉格朗日方程方法，建立系統動力學方程，對虛擬機械系統進行靜力學、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品的真實運動規律，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化

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

04內外流場仿真

目前內外流場仿真是飛機設計必須采用的仿真技術，內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,是流體分析領域內非常難的復雜流固耦合和動流場網格問題.如果得到精確的結果,必須不斷對流場進行重新網格劃分。

這在傳統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變化規律。內流場另外一個難點在于超高壓流體仿真，在仿真過程中，多數情況下是不收斂的，需要非常有經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，處理方法同內流場。

05非線性仿真分析

飛機的各個零組件等產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據采集等；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。電磁控制系統是飛機能夠實現其功能的關鍵。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、穩態、瞬態特性。

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變化的敏感度，確保設計參數處于制造容差范圍內，?？蓪缀涡螤?、材料屬性、激勵源，邊界條件的設置參數、工作頻率、以及直線或旋轉運動位置坐參數化和優化分析，從而選擇最佳設計方案。

08電液聯合仿真

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，不能系統聯合仿真評估的問題。目前，單一學科的仿真分析，往往不能滿足現代飛機設計的需要，可以通過機電液聯合仿真技術實現對飛機的系統仿真設計。

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據的傳遞誤差，隨著軟件數量的增加，傳遞的誤差越來越大，很難保證仿真的橫度，數據傳遞誤差是今后仿真工程師應該攻克的一大難題。

3飛機設計中仿真技術應用價值

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的虛擬驗證，并結合虛擬現實等技術實現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，實現方案最優化，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，并在后續一些風洞試驗無法開展的極端工況下用數值仿真進行驗證，擴大設計探索范圍。

03工程研制階段

在工程研制階段，仿真全面融入產品詳細設計過程，包括各子系統和零部件設計，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，實現仿真驅動設計。

另外，在工程研制階段需要進行大量研發試驗，通過仿真技術應用可簡化和支撐研發階段的物理試驗。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。

4總結

仿真技術的不斷發展，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。

來源：楊建江