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在飞机设计中的仿真技术

1、引言

       仿真技术在飞机设计中发挥着越来越重要的作用,本文阐述了国内外在飞机设计中广泛使用的结构强度计算,多体动力学仿真、多学科多目标结构优化、内外流场分析、非线性有限元分析、疲劳强度分析、电磁仿真分析,机电液联合仿真分析等,介绍了各种仿真技术的应用范围,为飞机的机械设计及研究提供参考。

2、飞机设计中的仿真技术

       机械产品设计是一个近代完善的过程,尤其对于飞机等航空器是集各种先进科技成果于一体的产品,设计结果都需要进行反复多次的地面试验,才能验证设计结果能否符合要求。

       在仿真技术获得大规模应用之前,大部分试验都是依靠产品样机进行的,不仅成本高昂,而且试验一旦失败,对后续设计将会产生极大影响,无形之中增加研制成本,研制周期也得不到保证,随着现代计算机仿真技术的发展,在飞机设计中,越来越多的使用虚拟仿真技术。在概念设计阶段,仿真技术可以快速预测产品强度及性能,是试验无法取代的。

       目前,使用较为广泛的有:结构强度计算,多体动力学仿真、多学科多目标结构优化、内外流场分析、非线性有限元分析、疲劳强度分析、电磁仿真分析,机电液联合仿真分析。

       1.结构强度分析

       飞机的设计中,满足结构强度要求是设计的首要要求,可以一票否决设计成果。影响结构强度的主要因素有材料的种类和性质、截面积、形状等,数年来,新材料的发展还不成熟,因此在飞机设计中应用的不多。

       设计人员往往考改变结构的形状来提高设计产品的强度,在机械产品的最薄弱部位增加受力面,随着仿真软件的发展,这些已不是困扰设计员的主要问题,在飞机的零组件设计中,更为突出的强度问题是无法得到零组件所受真实荷载,有时候设计员甚至靠估算或放大载荷数来计算产品的强度,估计结果不利于产品的轻量化设计,目前是困扰设计员强度计算的主要问题,亟待要求更为准确的荷载计算方法。

       2.多体动力学仿真

       飞机的零组件往往需要运动才能实现飞机的性能,利用多体运动力学仿真分析软件对各个机构进行运动仿真,得到运动时间、运动周期、运动速度、各个零组件的受力等的参数,用户可以用交互图形环境和零件库、力库,创建完全参数化的机械系统几何模型,其求解器采用多刚体系统动力学和理论中的拉格朗日方程方法,建立系统动力学方程,对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。

       目前多体动力学仿真在刚体运动机械领域比较成熟,尽管金属材料的刚度很大,但是刚体分析往往不能反映产品的真实运动规律,通常情况下,需要把刚体转化成柔性体进行仿真计算。

       3.多学科多目标结构优化

       新的飞机产品涉及的学科越来越多,科技越来越精尖,使得传统涉及越来越难满足新产品的需要,不但浪费大量的材料,而且投入了大量的人力,新的多学科优化的工具,拥有全面的结构优化能力,能为概念设计和详细设计踢狗丰富的优化方法,包括拓扑优化、形貌优化、自由尺寸优化、形状优化、自由形状优化和尺寸优化,用来解决悬挂发射装置骨架,机构等部件的优化问题,减轻整体重量,为轻量化设计提供依据。

      4.内外流场仿真

       目前内外流场仿真是飞机设计必须采用的仿真技术,内流场通常指飞机的负责管道流动,有液压、气压等,外流场仿真主要指飞机所受气动载荷,为外形设计提供参考。

       内流场主要的分析难点在于管道和阀系的精确仿真,无论何种阀系,都涉及到真实阀门动作过程,也就是开启(关闭)瞬间的复杂流场问题,在阀门开启过程中,流场在不断的高速变化,是流体分析领域内非常难的复杂流固耦合和动流场网格问题.如果得到精确的结果,必须不断对流场进行重新网格划分。

       这在传统流体仿真软件是非常难和繁琐的过程,因此,在复杂的阀系流动仿真的过程中必须引入流体与结构耦合仿真模块,可以非常方便地处理运动部件与流场的相互耦合作用,得到流场在部件运动过程中的流体特性瞬态变化规律。内流场另外一个难点在于超高压流体仿真,在仿真过程中,多数情况下是不收敛的,需要非常有经验的工程师通过间接方法进行仿真计算。

       外流场方面,仿真技术多采用通用有限元软件,划分网格,加边界条件,在亚音速条件下,仿真计算比较简单快捷,计算结果也较准确,但超音速条件下,计算时和内流场超高压计算相似,都存在精度不够的问题,处理方法同内流场。

       5.非线性仿真分析

       飞机的各个零组件等产品在试验和使用的过程中遇到许许多多静力学无法解决的问题,产品的裂纹,齿轮齿牙的脆裂等,这些问题单靠简单的静力学解决手段,智能简单预测裂纹宽展和产品寿命,因此必须引入非线性分析来解决接触、大变形等辅助的结构问题。

      6.疲劳强度分析

       在航空产品需求的大背景下,疲劳分析通长进行耐久性疲劳寿命分析,可用于结构的初始裂纹分析,裂纹扩展分析、应力寿命分析、焊接寿命分析、整体寿命预估、疲劳优化设计、振动疲劳分析、多轴疲劳分析、电焊疲劳分析虚拟应变片测量及数据采集等;软件拥有丰富的疲劳断裂相关材料库、疲劳载荷和时间历程库等,能够可视化疲劳分析的各类损伤、寿命结果。用于主要承力组件的整体寿命预估、疲劳优化设计等。

      7.电磁仿真分析

       飞机只有结构设计是不够的,还有很重要的一部分是电磁伺服控制系统。电磁控制系统是飞机能够实现其功能的关键。往往需要进入电磁仿真分析,主要用来分析电磁作动机的电磁铁、电磁阀、电磁继电器、电机、变压器传感器等电磁装置的静态、稳态、瞬态特性。

       直接耦合电磁场分析得到的各种地刺损耗作为热源,通过热分析得到电磁设备的温升等热特性,可通过分析设备在正常运行时对各种参数变化的敏感度,确保设计参数处于制造容差范围内,海可对几何形状、材料属性、激励源,边界条件的设置参数、工作频率、以及直线或旋转运动位置坐参数化和优化分析,从而选择最佳设计方案。

       8.电液联合仿真

       一般来讲,飞机设计是一个复杂的系流工程,涉及到上述等多个学科的仿真分析,过去只停留在单元件仿真分析,不能系统联合仿真评估的问题。目前,单一学科的仿真分析,往往不能满足现代飞机设计的需要,可以通过机电液联合仿真技术实现对飞机的系统仿真设计。

       这种方法需要引入多个仿真分析软件,相互参考相互印证,主要问题的难点在于软件间数据的传递误差,随着软件数量的增加,传递的误差越来越大,很难保证仿真的横度,数据传递误差是今后仿真工程师应该攻克的一大难题。

3、飞机设计中仿真技术应用价值

       1.论证阶段

       在论证阶段,基于仿真技术建立概念样机,开展关键性能指标和子系统的虚拟验证,并结合虚拟现实等技术实现对飞机概念及原理的虚拟展示和初步验证,从而“赢得”项目。

       2.方案阶段

       在方案阶段,可以通过仿真进行多方案筛选和最终方案早期验证,同时在一些物理试验无法开展的极端工况下,可利用仿真技术在更广阔的设计空间中进行探索,实现方案最优化,如飞机总体设计中往往采用CFD 计算确定第一轮气动载荷输入,并在后续一些风洞试验无法开展的极端工况下用数值仿真进行验证,扩大设计探索范围。

       3.工程研制阶段

       在工程研制阶段,仿真全面融入产品详细设计过程,包括各子系统和零部件设计,通过“设计- 仿真”的反复迭代,最终确定拓扑结构、几何形状、零部件尺寸和设备参数,实现仿真驱动设计。

       另外,在工程研制阶段需要进行大量研发试验,通过仿真技术应用可简化和支撑研发阶段的物理试验。如通过仿真进行试验工况的初步筛选,减少试验车次;对试验件性能进行验证,减少试验返工;对试验大纲和试验方案进行优化和评估,对试验趋势进行初步预测和评估,从而确保试验一次成功。

4、总结

       仿真技术的不断发展,对于飞机的设计要求也越来越高,研究也更加深入具体。仿真技术在飞机设计领域发展多年来,虽然取得了许多成绩,但是在各个学科及学科间都存在无法攻克的难题,需要仿真工程师进一步研究更精确的仿真技术。



(文章来源:网络)

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