飛機(jī)設(shè)計中仿真技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

曹邦健

摘 要：本文研究了仿真技術(shù)在飛機(jī)設(shè)計中的主要應(yīng)用方向，并分析了仿真在飛機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用價值，最后對發(fā)展趨勢進(jìn)行總結(jié)和分析。通過研究分析目前存在的不足，以及研究更為合理的仿真技術(shù)發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)設(shè)計;仿真技術(shù);應(yīng)用現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢

飛機(jī)設(shè)計中的仿真技術(shù)對飛機(jī)設(shè)計的優(yōu)化十分重要，可以通過對計算機(jī)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、耐久性、電磁等方面進(jìn)行分析，確定飛機(jī)系統(tǒng)的各種動態(tài)性能和特征。在應(yīng)用反正技術(shù)時，會利用計算機(jī)的運算功能，以及通過計算模型和數(shù)值模擬等方法確定結(jié)果，是一種重要的解決飛機(jī)設(shè)計問題的技術(shù)。

1 仿真技術(shù)在飛機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用方向

1.1 分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

飛機(jī)的設(shè)計工作中，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是飛機(jī)設(shè)計的基礎(chǔ)，無論是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計、飛機(jī)材料性質(zhì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)性質(zhì)、截面積、形狀等等，都是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的主要內(nèi)容。雖然飛機(jī)對安全的要求極高，但是為了滿足飛機(jī)的機(jī)械性能、飛行性能需求，一些位置可能會制作的比較薄弱。同時，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大量的新材料、新結(jié)構(gòu)被應(yīng)用到飛機(jī)當(dāng)中，更需要通過對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的模擬分析，確定飛機(jī)結(jié)構(gòu)問題，并不斷進(jìn)行優(yōu)化[1]。但是在實際的分析中，可能會難以獲得真實的分析結(jié)果，因為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的模擬計算必然存在一定的偏差，設(shè)計人員還需要靠估算和放大載荷數(shù)來計算產(chǎn)品的強(qiáng)度，所以很不利于對產(chǎn)品的輕量化設(shè)計，需要獲得更加準(zhǔn)確的分析方法。

1.2 多體動力學(xué)仿真

飛機(jī)的很多組件在運動之后才能夠發(fā)揮出功能，為此就需要使用多體動力學(xué)仿真技術(shù)，分析飛機(jī)中各種構(gòu)件的運動狀態(tài)，研究在飛機(jī)運行過程中結(jié)構(gòu)的變化，以確定飛機(jī)的運動周期、運行時間、運動速度、飛機(jī)各種組件的受力狀況等參數(shù)。仿真讓用戶在交互圖形環(huán)境中使用零件庫、力庫來創(chuàng)建飛機(jī)的幾何機(jī)械模型，求解多剛體的動力學(xué)以及結(jié)合理論分析拉格朗日方法，最終確定飛機(jī)的動力學(xué)方程。在研究過程中，可以使用虛擬機(jī)來進(jìn)行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)的全面分析。目前多體動力分析在剛體機(jī)械運動中比較成熟，雖然金屬材料會有較大的剛度，但是由于材料的剛度并不是絕對的，具有一定的柔性，因此絕對的剛體運動分析可能并不能有效反應(yīng)飛機(jī)的運動規(guī)律，還需要將其轉(zhuǎn)化成柔性體進(jìn)行計算。

1.3 電磁仿真分析

僅僅獲得飛機(jī)的結(jié)構(gòu)并不能滿足設(shè)計的要求，還需要進(jìn)行飛機(jī)的電磁伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)件，同時該系統(tǒng)也是飛機(jī)能夠飛行的關(guān)鍵。為此，就需要對飛機(jī)進(jìn)行電磁仿真分析，分析飛機(jī)的電磁動作，研究飛機(jī)的電磁鐵、電磁閥、電磁繼電器、傳感器等電磁裝置的狀態(tài)，以及在不同運行狀態(tài)下的特性。通過直接耦合電磁場可以對電磁損耗導(dǎo)致的熱耗散進(jìn)行分析，研究飛機(jī)在飛行狀態(tài)下電磁系統(tǒng)的升溫特性，從而確定設(shè)備在正常運行時對各種參數(shù)變化的敏感度，從而確定設(shè)計參數(shù)的容差范圍。利用高精度的電磁仿真模擬，還有利于確定設(shè)備的幾何形狀、材料屬性、邊界條件等參數(shù)，以及確定飛機(jī)的工作頻率，加強(qiáng)對飛機(jī)的參數(shù)化分析，獲得飛機(jī)設(shè)計的最佳方案。

1.4 非線性仿真分析

飛機(jī)的各種零件在應(yīng)用的過程中可能會有靜力學(xué)不能解決的問題，比如裂分、脆裂等等，由于不能采用簡單的靜力學(xué)手段，因此必須要使用非線性分析，研究接觸、大變形等問題。

2 飛機(jī)設(shè)計中仿真技術(shù)的應(yīng)用價值

仿真技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了飛機(jī)設(shè)計的各個階段當(dāng)中，在飛機(jī)設(shè)計的整個流程中都發(fā)揮著極為重要的作用。

2.1 論證階段

飛機(jī)設(shè)計之前需要先進(jìn)行飛機(jī)設(shè)計的論證工作，在該階段可以使用仿真技術(shù)建立概念樣機(jī)，從而開展對飛機(jī)關(guān)鍵性能指標(biāo)和子系統(tǒng)的驗證工作，通過使用虛擬技術(shù)可以實現(xiàn)對飛機(jī)概念和原理的分析，并且對飛機(jī)的性能進(jìn)行初步展示。

2.2 方案階段

方案階段會通過仿真技術(shù)進(jìn)行多種方案的篩選工作，以及進(jìn)行最終方案的早期驗證。其次，飛機(jī)設(shè)計中會一些物力試驗不能開展，就可以使用仿真技術(shù)來進(jìn)行空間探索工作，優(yōu)化飛機(jī)的總體設(shè)計，以及實現(xiàn)對方案的優(yōu)化工作。比如在飛機(jī)設(shè)計過程中可以使用CFD進(jìn)行第一輪啟動載荷輸入，并且利用風(fēng)洞無法開展驗證的極端條件來對數(shù)值進(jìn)行仿真，以及擴(kuò)大飛機(jī)尺寸的探索范圍[2]。

2.3 工程研制階段

在在階段，仿真會全面地融入到產(chǎn)品的設(shè)計過程，會盡心各種零部件設(shè)計，通過仿真來對零件進(jìn)行反復(fù)迭代，最終確定元件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和集合形狀，以及確定零件的集合形狀、尺寸和零件參數(shù)，并且通過仿真不斷驅(qū)動設(shè)計。同時，工程的研制階段還需要進(jìn)行大量的研發(fā)試驗，也要利用仿真技術(shù)來對物力試驗進(jìn)行簡化，以及為物力試驗提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)。有效的利用仿真試驗，可以對工況進(jìn)行篩選，而且能減少試驗車次;對飛機(jī)構(gòu)件性能的驗證中，仿真試驗?zāi)馨l(fā)現(xiàn)構(gòu)件的問題，減少返工。

3 仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢

3.1 提升仿真資源庫和可信度

仿真技術(shù)在飛機(jī)設(shè)計中的作用越來越重要，所以將仿真納入到飛機(jī)的研制流程是飛機(jī)設(shè)計人員的共識，但是如何解決仿真的可信度問題，以及加強(qiáng)仿真資源庫建設(shè)，都是未來仿真技術(shù)發(fā)展的主要方向。仿真的可信度來自于仿真模型、仿真輸入輸出數(shù)據(jù)、仿真算法程序等等[3]。由于我國比較看重對仿真技術(shù)的應(yīng)用研究，所以在歷史仿真數(shù)據(jù)、資源庫和仿真經(jīng)驗知識和仿真數(shù)據(jù)庫建設(shè)經(jīng)驗上還存在經(jīng)驗不足的問題，很多工程中所使用的仿真模型都來自于國外供應(yīng)商，并沒有利用自研算法，導(dǎo)致目前進(jìn)行仿真度的評估比較困難。所以，在未來還要繼續(xù)加強(qiáng)基礎(chǔ)資源庫的建設(shè)，加強(qiáng)自主算法的研發(fā)工作，構(gòu)建可以應(yīng)用于仿真的基礎(chǔ)資源庫，將成熟可靠的管理方法應(yīng)用到仿真管理工作中。針對仿真工作的要求，建立多層級、多精度、多尺度的仿真模型，明確仿真工作規(guī)范，加強(qiáng)對仿真可信度的評估。

3.2 加強(qiáng)對虛擬集成仿真的學(xué)科優(yōu)化

目前的仿真技術(shù)應(yīng)用局限在單一專業(yè)或系統(tǒng)的內(nèi)部，但是在進(jìn)行多系統(tǒng)、全機(jī)械結(jié)構(gòu)、綜合系統(tǒng)試驗分析還要依靠后期的物力試驗。由于飛機(jī)的復(fù)雜度在不斷提升，還需要工程領(lǐng)域加強(qiáng)對多系統(tǒng)聯(lián)合仿真的優(yōu)化，加強(qiáng)虛擬仿真體系的建設(shè)和研究，注重數(shù)字仿真和半實物仿真之間的融合，加強(qiáng)整合工作，更加準(zhǔn)確地驗證飛機(jī)的性能和結(jié)構(gòu)，幫助飛機(jī)設(shè)計人員進(jìn)行綜合分析和權(quán)衡。

3.3 多專業(yè)協(xié)同仿真

為了加強(qiáng)對技術(shù)的綜合利用，就需要進(jìn)行多專業(yè)綜合仿真工作，目前很多部門都是單點技術(shù)和手工作坊式的工作模式，存在規(guī)范性不足和效率低下的問題，不同專業(yè)之間的協(xié)同性比較差，仿真數(shù)據(jù)、經(jīng)驗知識之間缺少充分的積累和共享，不僅降低了工作效率，也產(chǎn)生了嚴(yán)重的資源浪費。在未來，還需要構(gòu)建更加統(tǒng)一和開放的平臺進(jìn)行仿真工作，以及對各個階段、各專業(yè)、各種類型的仿真任務(wù)構(gòu)建科學(xué)的仿真流程，加強(qiáng)對仿真工作的工程化管理[4]。飛機(jī)的仿真領(lǐng)域中，還要引進(jìn)更多種類的商用、自研仿真分析軟件，進(jìn)行集成化處理，滿足大規(guī)模高性能計算的需求。仿真平臺也要充分考慮和企業(yè)整個系統(tǒng)之間的融合，達(dá)到分析需求、初步設(shè)計、仿真優(yōu)化、試驗論證的全過程數(shù)據(jù)融合和創(chuàng)新，全面進(jìn)行整合工作。

結(jié)束語

仿真技術(shù)帶動了工程領(lǐng)域的發(fā)展，在飛機(jī)設(shè)計中的各個階段都有十分廣泛的應(yīng)用。但是目前，仿真技術(shù)還存在一定的不足，尤其是存在碎片化的管理問題，不利于多專業(yè)整合和特長發(fā)揮。因此還需要加強(qiáng)對仿真技術(shù)的研發(fā)，推動多系統(tǒng)整合工作，深入軟硬件技術(shù)研發(fā)，構(gòu)建更符合未來需求的工作模式和管理模式。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉春，郭大鵬.虛擬制造技術(shù)在飛機(jī)設(shè)計與制造中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2017（21）：34-38.

[2]王平.面向飛機(jī)設(shè)計的虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用框架研究[J].航空科學(xué)技術(shù)，2017，28（06）：47-51.

[3]楊建江.仿真技術(shù)在飛機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（04）：152.