基于模型的系統(tǒng)工程在前起落架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

沈波 任金虎 許鴻杰 鄭永乾

將基于模型的系統(tǒng)工程的方法應(yīng)用于飛機(jī)前起落架的初步設(shè)計(jì)階段，在需求分析階段引進(jìn)了IBM的DOORS軟件進(jìn)行需求管理及分析;在架構(gòu)設(shè)計(jì)上采用Rhapsody進(jìn)行功能與邏輯分析;采用Modelica語言進(jìn)行多學(xué)科建模與分析以及系統(tǒng)架構(gòu)的驗(yàn)證;引進(jìn)達(dá)索系統(tǒng)工程工具3DE，打通MBSE各工具之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，驗(yàn)證從需求、功能、邏輯到物理設(shè)計(jì)的過程，實(shí)現(xiàn)需求的有效閉環(huán);通過多專業(yè)協(xié)同聯(lián)合仿真，對(duì)前起落架收放和著陸等典型場(chǎng)景進(jìn)行靜力及動(dòng)力響應(yīng)等分析。

一、引言

飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)多學(xué)科、多專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)過程，這一過程具有以下三個(gè)特點(diǎn)。

（1）飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)從粗到細(xì)的過程，隨著用戶需求的提高，飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)全過程的工作量和費(fèi)用消耗呈指數(shù)增長(zhǎng)，未經(jīng)充分的前期設(shè)計(jì)而過早進(jìn)入工程設(shè)計(jì)階段，將會(huì)帶來巨大的成本和時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)，而且也無法保證設(shè)計(jì)的快速收斂。

（2）飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)從耦合到解耦的過程，在工程設(shè)計(jì)階段工作量最大，只有在工程設(shè)計(jì)階段充分解決了各學(xué)科、各系統(tǒng)之間的沖突和矛盾實(shí)現(xiàn)并行工程，才能減少工程設(shè)計(jì)階段的交叉和耦合，從而有利于工程設(shè)計(jì)的并行開展。

（3）飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程是一個(gè)需要進(jìn)行大量設(shè)計(jì)循環(huán)和迭代的過程。

針對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的特點(diǎn)，在現(xiàn)有分散的設(shè)計(jì)手段基礎(chǔ)上，形成一套高度集成、高度靈活和多層次的總體分系統(tǒng)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證模式，成為當(dāng)前飛機(jī)系統(tǒng)研制面臨的重要課題。綜合分析，采用基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE： Model Based System Engineering）的方法來進(jìn)行飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能很好的解決這個(gè)難題。

基于模型的系統(tǒng)工程是指“對(duì)系統(tǒng)工程活動(dòng)中建模方法的正式化、規(guī)范化應(yīng)用，以使建模方法支持系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)等活動(dòng)，這些活動(dòng)從概念設(shè)計(jì)階段開始，持續(xù)貫穿到設(shè)計(jì)開發(fā)以及后來的所有生命周期”。自從2007年，國(guó)際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)（INCOSE）在《系統(tǒng)工程2020年愿景》中，正式對(duì)MBSE進(jìn)行定義以來，MBSE在航空工業(yè)得到了快速發(fā)展，各單位進(jìn)行了一系列研究。

航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司丁健等人研究了基于模型的系統(tǒng)工程在地面站研制中的應(yīng)用;航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所的白潔等人研究了基于模型的系統(tǒng)工程在機(jī)載電子系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用;航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院的葛立敏等人進(jìn)行了基于模型的系統(tǒng)工程在航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究;航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院的葛立敏等人研究了基于模型的系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法在TCAS中的應(yīng)用;航空工業(yè)洪都的羅松等人研究了基于模型的系統(tǒng)工程應(yīng)用于飛機(jī)概念設(shè)計(jì)探討。

本文以飛機(jī)起落架為對(duì)象，進(jìn)行了基于模型的系統(tǒng)工程分析與應(yīng)用研究。打通MBSE各工具之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，驗(yàn)證從需求、功能、邏輯到物理設(shè)計(jì)的過程，實(shí)現(xiàn)需求的有效閉環(huán)以及多專業(yè)協(xié)同聯(lián)合仿真，為基于模型的系統(tǒng)工程建設(shè)提供支持。

二、MBSE的總體架構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)DOORS、Rhapsody、Modelica語言建模工具與Dassault系統(tǒng)工程工具的數(shù)據(jù)貫通，搭建如圖1所示的基于RFLP框架的MBSE系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)環(huán)境。

Dassault系統(tǒng)工程方法論基于RFLP模型的系統(tǒng)工程框架將需求（Requirement）、功能（Function）、邏輯架構(gòu)（Logical）和物理產(chǎn)品（Physical）結(jié)合起來，使其組成一個(gè)統(tǒng)一的、不能孤立的集合體，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)工程核心要素的完整表述，符合系統(tǒng)工程方法論。該框架實(shí)現(xiàn)參數(shù)、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)與仿真模型在業(yè)務(wù)過程中的傳遞，做到基于統(tǒng)一平臺(tái)的業(yè)務(wù)流程協(xié)同。

三、MBSE的應(yīng)用及驗(yàn)證

1.前起落架初步設(shè)計(jì)階段的流程分析

本文選取前起落架為研究對(duì)象，其初步設(shè)計(jì)階段流程如圖2所示。

2.DOORS中的需求導(dǎo)入達(dá)索RFLP框架

使用IBM需求管理軟件DOORS對(duì)前起落架系統(tǒng)需求進(jìn)行管理，工作界面如圖3所示，主要體現(xiàn)為對(duì)需求文檔進(jìn)行結(jié)構(gòu)化展示、實(shí)現(xiàn)需求條目的版本管理、基線管理、需求的權(quán)限管理等工作。

采用達(dá)索REQTIFY軟件將DOORS中管理的前起落架系統(tǒng)需求條目捕獲，同時(shí)導(dǎo)入到達(dá)索的需求管理模塊中，導(dǎo)人流程如圖4所示。

在性能要求、設(shè)計(jì)約束等需求條目下添加參數(shù)，用以對(duì)指標(biāo)和約束進(jìn)行描述，如圖5所示。同時(shí)這些參數(shù)可以向下面的功能分析、架構(gòu)定義與仿真驗(yàn)證等過程中進(jìn)行傳遞。

3.Rhapsody中模型導(dǎo)入達(dá)索RFLP框架

利用Rhapsody基于SysML模型對(duì)前起落架系統(tǒng)需求進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)，在分析過程中，形成用例圖、活動(dòng)圖、BDD圖以及IBD圖等一系列設(shè)計(jì)結(jié)果。通過RFLP框架與Rhapsody模型的融合，實(shí)現(xiàn)活動(dòng)圖、IBD圖與RFLP框架的集成，活動(dòng)圖導(dǎo)入到RFLP的功能節(jié)點(diǎn)，IBD圖導(dǎo)入到RFLP的邏輯節(jié)點(diǎn)。

4.基于系統(tǒng)工程驅(qū)動(dòng)的物理設(shè)計(jì)

依據(jù)總體設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的前起落架位置、重量指標(biāo)、輪心位置、是否帶外掛、強(qiáng)度與載荷等要求開展前起落架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

以輪心距離為例介紹需求導(dǎo)向的設(shè)計(jì)過程，整個(gè)設(shè)計(jì)過程如圖7所示。

5.系統(tǒng)工程驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

達(dá)索RFLP框架采用多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)（MDO）方法，如圖8所示，將前起落架設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)與經(jīng)驗(yàn)，以知識(shí)的形式融入到多學(xué)科的分析和優(yōu)化模型的建立過程中，自動(dòng)生成各學(xué)科分析模型，將各學(xué)科的分析模型和優(yōu)化模型集成起來，實(shí)現(xiàn)各學(xué)科之間數(shù)據(jù)自動(dòng)傳遞，按照定義的約束條件，驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)及仿真模型，自動(dòng)修改設(shè)計(jì)參數(shù)，最終獲得優(yōu)化方案。

以前起落架收放性能需求為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)前起落架的作動(dòng)筒外筒內(nèi)徑和活塞直徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)驗(yàn)證。具體優(yōu)化過程如圖9所示。

為了確保飛機(jī)起飛著陸安全且不致增加飛機(jī)收放機(jī)構(gòu)的重量，必須合理地優(yōu)化前起落架收放時(shí)間。前起落架收放時(shí)間主要由開鎖時(shí)間和收放作動(dòng)筒作動(dòng)時(shí)間組成，因開鎖時(shí)間較短，故主要通過優(yōu)化收放作動(dòng)筒作動(dòng)時(shí)間，使前起落架收放時(shí)間更加合理化。

影響收放作動(dòng)筒作動(dòng)時(shí)間主要因素是收放作動(dòng)筒所承受的載荷，該載荷存在于前起落架收起或放下運(yùn)動(dòng)的全過程，因此在設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)要考慮前起落架收放運(yùn)動(dòng)的全過程。

在前起落架收放過程中，收放作動(dòng)筒主要承受的載荷包括：收放前起落架時(shí)繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)量力;處在氣流中的前起落架結(jié)構(gòu)的迎面阻力;前護(hù)板聯(lián)動(dòng)的質(zhì)量力和氣動(dòng)力;前起落架機(jī)構(gòu)鉸鏈中的摩擦力;前起落架上鎖力。

這些載荷可通過與所有其它載荷對(duì)前起落架旋轉(zhuǎn)力矩的靜力平衡條件及氣動(dòng)計(jì)算模型求得。主要的計(jì)算原始數(shù)據(jù)包括：飛機(jī)最大的起飛重量;飛機(jī)著陸設(shè)計(jì)重量;機(jī)翼面積;展弦比;前起落架收放時(shí)的速壓;前起落架支柱重量;收放前起落架時(shí)的最大飛行速度等。

6.前起落架多專業(yè)協(xié)同仿真

采用Modelica語言建模的方法建立由機(jī)械、液壓、控制等組成的前起落架的Modelica模型，把該Modelica模型轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的FMU模型，在完整RFLP定義基礎(chǔ)上對(duì)收放系統(tǒng)和著陸系統(tǒng)FMU模型進(jìn)行仿真，對(duì)前起落架總體性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證，如圖10所示。

四、結(jié)果分析及驗(yàn)證

1.前起落架仿真結(jié)果分析

采用達(dá)索RFLP框架提供的聯(lián)合仿真及多學(xué)科耦合分析技術(shù)，對(duì)前起落架進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)、靜力及動(dòng)力響應(yīng)等分析，為飛機(jī)收放和著陸過程等典型場(chǎng)景進(jìn)行驗(yàn)證。采用該平臺(tái)隱式求解器模塊，求解前起落架系統(tǒng)級(jí)的非線性結(jié)構(gòu)靜力學(xué)問題;采用平臺(tái)的顯式求解器模塊求解前起落架系統(tǒng)的瞬態(tài)動(dòng)力沖擊仿真。

（1）前起落架多體動(dòng)力學(xué)分析。在平臺(tái)中，將前起落架三維模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換為一維的Modelica模型，將各部件轉(zhuǎn)換為Modelica的多體模塊，系統(tǒng)自動(dòng)提取部件的質(zhì)量、質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等信息;將三維模型中的運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)換為Modelica的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況判斷，向運(yùn)動(dòng)副上施加力或扭矩。通過多體動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真，完成對(duì)前起落架運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性分析，計(jì)算前起落架連接部位的反作用力，為剛?cè)狁詈陷敵隽私佑|載荷，得到前起落架的多體仿真示意圖，如圖11所示。

（2）前起落架靜力分析?，F(xiàn)階段對(duì)前起落架進(jìn)行的靜力學(xué)分析，主要采用剛體分析提取部件間的作用力，再通過施加邊界條件的方法，將部件間作用力作靜載施加在部件上，分析過程繁瑣。在達(dá)索3DE平臺(tái)中，采用統(tǒng)一的模型進(jìn)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)耦合分析，不需要導(dǎo)入導(dǎo)出部件間的作用力，能快速實(shí)現(xiàn)基于系統(tǒng)工程的多體與靜力學(xué)聯(lián)合、剛?cè)狁詈戏治?，如圖12所示。

（3）前起落架模態(tài)分析及線性響應(yīng)分析。采用高級(jí)隱式非線性有限元軟件的求解器，驗(yàn)證工作中模態(tài)和瞬態(tài)響應(yīng)分析，并求解前起落架結(jié)構(gòu)的諧響應(yīng)分析、頻譜分析、隨機(jī)振動(dòng)分析與屈曲/失穩(wěn)分析等，前起落架的模態(tài)分析及線性動(dòng)力學(xué)響應(yīng)情況，如圖13所示。

（4）前起落架非線性沖擊分析。

采用先進(jìn)的非線性算法，通過達(dá)索RFLP框架，從需求出發(fā)，緊密聯(lián)系系統(tǒng)工程方法、利用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行前起落架的運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)、沖擊響應(yīng)等分析，處理前起落架收放和著陸過程中各種復(fù)雜的非線性問題，得到前起落架著陸過程中的非線性響應(yīng)圖，如圖14所示。

2.需求的閉環(huán)驗(yàn)證

在平臺(tái)中，需求工程師基于需求設(shè)計(jì)視圖展開工作并將設(shè)計(jì)要求傳遞給下游專業(yè)，而設(shè)計(jì)工程師基于設(shè)計(jì)視圖從上游專業(yè)獲得的設(shè)計(jì)輸入進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)結(jié)果傳遞給仿真工程師，由仿真工程師與結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行協(xié)同工作，由此形成需求的閉環(huán)。需求閉環(huán)驗(yàn)證示意圖，如圖l5所示。

（1）性能仿真過程的影響性分析。采用達(dá)索3DE平臺(tái)的數(shù)據(jù)譜系追蹤功能，以數(shù)據(jù)譜系圖形的方式記錄前起落架分析業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。前起落架性能仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)挖掘流程如圖16所示。

當(dāng)前起落架計(jì)算活動(dòng)對(duì)應(yīng)的輸入?yún)?shù)（如參數(shù)化的需求）、參考文檔及模型（接口模型等模型文件）的狀態(tài)發(fā)生變更時(shí)，可以自動(dòng)分析影響關(guān)系，并通過影像圖的形式來提示后續(xù)受到影響的設(shè)計(jì)活動(dòng)，如圖17所示。

（2）仿真結(jié)果分析與決策支持。利用平臺(tái)對(duì)性能仿真結(jié)果分析、數(shù)據(jù)挖掘等功能，迅速有效地從眾多分析中找到前起落架最符合設(shè)計(jì)要求的，性能最好的方案。性能仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)挖掘流程，如圖18所示。

利用平臺(tái)瀏覽數(shù)據(jù)、對(duì)比數(shù)據(jù)，從大量數(shù)據(jù)中進(jìn)行挖掘、篩選，為前起落架系統(tǒng)提供多種有效的數(shù)據(jù)挖掘方法。結(jié)果分析與決策支持，如圖19所示。

（3）仿真結(jié)果對(duì)需求的閉環(huán)驗(yàn)證?；谇捌鹇浼芤痪S仿真與三維仿真的協(xié)同仿真（多體動(dòng)力學(xué)、靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真等）結(jié)果，在平臺(tái)中完成仿真結(jié)果與前起落架設(shè)計(jì)需求的對(duì)比和驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)需求閉環(huán)驗(yàn)證，其過程如圖20所示。

五、結(jié)語

本文采用基于模型的系統(tǒng)工程的方法，對(duì)飛機(jī)前起落架的初級(jí)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行分析、應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)了DOORS、Rhapsody、Modelica語言建模工具與Dassault系統(tǒng)工程工具的數(shù)據(jù)貫通。從飛機(jī)的起飛、著陸等應(yīng)用場(chǎng)景出發(fā)，在多專業(yè)協(xié)同仿真的基礎(chǔ)上，對(duì)前起落架性能進(jìn)行仿真分析;研究了前起落架強(qiáng)度、剛度與沖擊等性能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)需求閉環(huán)的有效驗(yàn)證。為基于模型的系統(tǒng)工程的方法在飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中提供了一種新的應(yīng)用實(shí)施手段，同時(shí)為基于模型的系統(tǒng)工程建設(shè)提供支持。