航空航天与国防创新需要仿真技术与方法的演进发展

2017-03-10

  纵观过去100年间飞机的演进变革,技术发展的步伐清晰可见。在航空航天与国防行业发展的最初阶段,飞机制造主要采用木材与织物。到1919年,首架全金属飞机初翔长空。Junker sJ-13(后来称为F-13)不但是首架全金属飞机,而且在技术上实现的飞跃也使其成为首架实用性悬臂式(内拉撑)下单翼机。

  仅仅在5年之后,Junkers的飞机供货量即已占全球运输机的40%。1933年,另一架创新型飞机道格拉斯DC-1首次升空。DC系列飞机(DC-1、-2与-3)大获成功。以科技推进设计与成形的方法是此款飞机设计的关键要素之一。其成形归功于广泛的风洞测试,这些测试降低了机翼/机身接缝湍流,同时增强了襟翼的有效载荷1。最近,两款更具创新性的飞机设计是洛克希德•马丁公司(Lockheed Martin)的F-117隐形飞机和波音(Boeing)787。产品

  创新的各个阶段都采用可使这些设计得以实现的关键技术。拜20世纪70年代后期开发的工程软件与计算功能所赐,F-117拥有与众不同的网格曲面外形。Lockheed Martin公司开发的计算机程序名为Echo,能够使飞机实现隐形。目前,Boeing 787有望成为首架大部分结构采用复合材料制造的商用飞机。

  从航空航天与国防行业的发展史可以非常清晰地看到,重大突破(无论是飞机、卫星、宇航员太空服还是其它成功的新产品)的动力来自于材料、技术与方法领域的创新。SIMULIA的现实仿真解决方案使企业能够改进现有工艺并开发新方法。我们的研发团队致力于开发新的分析功能,改进高性能计算,实现真正的多物理场仿真,同时还可提供完成多领域优化所需的工具。这些功能旨在为行业特定的工作流程提供支持,而且也是推进航空航天与国防创新的基石。

  新趋势:仿真事件,而不仅限于载荷工况

  传统上分析航空航天与国防结构是为了满足特定载荷工况。这种载荷工况可能是静态载荷、动态载荷或热载荷。但实际上,飞行器受到的影响包括“事件”,而不仅仅是“载荷工况”。例如,起落架的载荷工况可能是特定的垂直力和侧向力。可以把它与实际降落事件对比,此过程中需要放下起落架,起落架锁定到位,起落架需承受空气动力,在降落之前有可能受到鸟类或碎片撞击,然后在着陆时会受到跑道冲击。为限定代表上述事件的载荷工况已经做出了一些假定。公司目前正在减少其所做假定的数量,以便更精准地仿真此事件并了解其产品的性能。为了逼真地仿真此事件,相关计算机模型必须整合机械系统、控制系统、流体建模、显式动态冲击建模、非线性应力分析、接触行为以及损伤模型(甚至可能还包括复合材料损伤模型)。此外,业界还希望能够优化这些复杂的模型。

  Abaqus FEA可提供执行完整事件仿真所需要的技术,这种技术使企业能够大力发展其方法,从而充分发挥这些现实仿真功能的优势。

  大规模非线性分析

  传统上非线性分析用于在组件层面了解接合细节、故障模式以及复合材料断裂问题。目前,非线性FEA更多是用于整体航空器结构的大规模仿真,如:机翼组件、机身框体和尾翼2。以前,此类分析只是作为设计末期或者更靠后期阶段的终极任务,用于解决与制造或认证相关的难题。不过,制造商目前正在开发一些分析方法与工艺,能够早在制造和测试之前的设计阶段即可应用高级非线性分析。

  高性能计算(HPC)是大规模非线性仿真的关键需求。大型航空航天模型 可能有1000~2000万的自由度(DOF)、5000多个独立部件、10000个紧固件定义以及接触和粘结面定义。解决这些大规模问题需要几十、乃至几百个处理器并行工作。SIMULIA开发团队正在开发能够充分发挥当今计算资源优势的新算法。

  全盘掌控

  新方法的开发与实施带来了一种需求,要将这些方法作为标准程序来获取和共享。大型模型与多重仿真运行任务也带来管理与保护新建数据的需求。SIMULIA开发了新的仿真全生命周期管理(SLM)解决方案。新产品套件可提供在线协作功能,使分散的团队能够轻松共享仿真方法和结果,从而大大提高对决策过程的信心。此外,它还能够提供在个人级、工作组级和/或企业级进行仿真数据管理的功能。数据管理包括流程、模型文件、配置数据、需求以及结果。

  客户是关键

  我们新产品功能的开发很大一部分源于客户要求的增强功能以及与客户及合作伙伴的直接合作。其中与波音商用飞机集团的合作使我们能够在Abaqus/Standard中提供虚拟裂纹闭合技术(VCCT)。SIMULIA还参与了FAA卓越中心研讨会和CMH-17(复合材料手册)工作组。通过与行业及客户开展合作,我们不仅能够充分了解航空航天与国防行业的工艺与仿真要求,同时还能集中开发力量解决实际工程难题。

  我们诚邀您加入到关于航空航天与国防行业仿真动态的交流中来,与我们一起努力,为渴望进步的行业提供更好的仿真工具。


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