CAE仿真助力大飛機(jī)夢想起飛

具有自主知識產(chǎn)權(quán)的C919是建設(shè)創(chuàng)新型國家的標(biāo)志性工程,針對先進(jìn)的氣動布局、結(jié)構(gòu)材料和機(jī)載系統(tǒng),研制人員共規(guī)劃了102項關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),包括飛機(jī)發(fā)動機(jī)一體化設(shè)計、先進(jìn)機(jī)翼的設(shè)計、電傳飛控系統(tǒng)控制律設(shè)計、主動控制技術(shù)等。由于先進(jìn)材料和先進(jìn)設(shè)計手段的應(yīng)用,體型較大的C919整體減重在7%以上。

以大飛機(jī)為典型代表的現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計是一項復(fù)雜、周期很長、技術(shù)含量非常高的工作, 其研發(fā)過程充滿了挑戰(zhàn)性。同時,大型飛機(jī)的設(shè)計也是現(xiàn)代先進(jìn)設(shè)計方法和工具應(yīng)用最為成熟和全面的領(lǐng)域。其中,現(xiàn)代先進(jìn)的CAE仿真技術(shù)應(yīng)用可以大大提高飛機(jī)的研發(fā)設(shè)計能力,有效指導(dǎo)新產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計,節(jié)省產(chǎn)品的開發(fā)成本,縮短開發(fā)周期,從而大幅度提高企業(yè)的市場競爭力。

現(xiàn)代飛機(jī)的設(shè)計包括了:飛機(jī)總體設(shè)計、飛行控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、水系統(tǒng)、武器系統(tǒng)等,這些系統(tǒng)在設(shè)計、制造和研發(fā)過程中應(yīng)用的學(xué)科,幾乎涉及了所有重要專業(yè)領(lǐng)域,涉及到結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、材料、微機(jī)電系統(tǒng)等。

在現(xiàn)代飛機(jī)研制中,CAE仿真技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了以下多個領(lǐng)域:

飛機(jī)總體布局設(shè)計涉及到氣動、強(qiáng)度、舒適性、噪聲、疲勞壽命、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等多方面的工程問題。隨著現(xiàn)代CAE/CFD仿真技術(shù)的日趨成熟,主機(jī)所逐漸將先進(jìn)的仿真研發(fā)手段與試驗和經(jīng)驗相結(jié)合,形成互補(bǔ),從而提升研發(fā)設(shè)計能力,有效指導(dǎo)新型號的研發(fā)設(shè)計,節(jié)省開發(fā)成本,縮短開發(fā)周期。

CAE仿真可以對飛機(jī)的各大部件如機(jī)身、機(jī)翼、舵面、發(fā)動機(jī)短艙、氣密艙、起落架等進(jìn)行常規(guī)的結(jié)構(gòu)分析、熱分析、空氣動力分析、電磁分析,通過多物理場耦合功能可進(jìn)行諸如流體-固體耦合、熱-結(jié)構(gòu)耦合、磁-結(jié)構(gòu)耦合以及電-磁-流體-熱-結(jié)構(gòu)耦合分析。下面是仿真技術(shù)在飛機(jī)總體設(shè)計的應(yīng)用:

• 概念及方案階段的氣動布局選型計算

• 全機(jī)及整流部件減阻設(shè)計

• 高升力裝置氣動設(shè)計

• 飛機(jī)/機(jī)翼大迎角氣動特性分析

• 機(jī)翼拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計分析

• 飛機(jī)多學(xué)科優(yōu)化分析

• 外掛物布置及分離過程分析

• 紅外隱身特性分析

• 進(jìn)氣道/發(fā)動機(jī)艙氣動分析

• 民機(jī)反推力及進(jìn)氣畸變分析

• 螺旋槳滑流氣動特性分析

1、飛機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)分析

快速地進(jìn)行模態(tài)和振型計算,并且考慮許多因素對模態(tài)和振型的影響,準(zhǔn)確地計算出飛機(jī)在各種條件下的模態(tài)和振型。下圖是ANSYS分析PC12飛機(jī)動力響應(yīng)和ANSYS模態(tài)綜合法整機(jī)模態(tài)分析。

2、飛機(jī)鳥撞、迫降過程評估

通過仿真分析計算可以得到真實的飛鳥和飛機(jī)的撞擊效果和合理的耐撞結(jié)構(gòu),可良好地模擬飛機(jī)墜地事故中乘員所收到的沖擊以及安全帶的作用。

3、全設(shè)計周期的飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命細(xì)節(jié)優(yōu)化設(shè)計

搭建面向所有結(jié)構(gòu)設(shè)計人員、全設(shè)計周期的飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命細(xì)節(jié)優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng),實現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)分析/優(yōu)化輔流程模型的統(tǒng)一與傳承,并伴隨結(jié)構(gòu)主流程逐級成熟,最終憑借壽命設(shè)計系統(tǒng),將壽命設(shè)計要求和指標(biāo)在各個設(shè)計階段貫徹實施,將飛機(jī)結(jié)構(gòu)的壽命真正設(shè)計出來。

復(fù)合材料具有各向異性、耦合效應(yīng)、層間剪切等特殊性質(zhì),因此復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的精確仿真,已成為現(xiàn)代航空結(jié)構(gòu)的迫切需求。許多CAE程序都可以進(jìn)行復(fù)合材料的分析,但是大多程序并沒有提供完備的功能,使復(fù)合材料的精確仿真難以完成。

ANSYS廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,為飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)分析提供了完整精確的解決方案。下圖應(yīng)用ANSYS ACP(復(fù)合材料)+ Mechanical (有限元)+ Fluent(氣動) + DX(快速優(yōu)化)做的機(jī)翼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)/氣動耦合輕量化設(shè)計分析。

復(fù)合材料機(jī)翼ANSYS多物理場優(yōu)化

GENESIS Topology for ANSYS Mechanical將GENESIS的拓?fù)鋬?yōu)化功能集成到ANSYS workbench環(huán)境中。設(shè)計者可以在一個可靠,魯棒且易于應(yīng)用的界面下自動的獲取創(chuàng)新設(shè)計。

GTAM將拓?fù)鋬?yōu)化集成到ANSYS環(huán)境當(dāng)中,與Workbench的諸多分析模塊一起,緊密的集成在Workbench上,可以在Project Schematic視窗中創(chuàng)建GENESIS拓?fù)鋬?yōu)化分析并管理。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)的氣動彈性分析是飛行器研制過程中必須考慮的問題。飛機(jī)在起飛、降落、巡航或機(jī)動飛行狀態(tài)下,由于受到重力、氣動力、過載等因素的影響,機(jī)翼會發(fā)生彈性變形,而且有些工作工況下的變形非常大(超過2m),此變形會導(dǎo)致飛機(jī)的氣動特性發(fā)生明顯變化,所以對飛機(jī)進(jìn)行氣彈分析非常重要。

1、靜氣彈

在飛機(jī)設(shè)計中通常采用線性理論估算方法獲得靜氣彈變形后的外型。隨著CAE技術(shù)的飛速發(fā)展,CFD/CSD多場耦合方法解決靜氣彈分析也成為國外航空領(lǐng)域的一種精確的手段。下圖是ANSYS靜氣彈分析案例。

2、顫振

ANSYS-FSI 流固耦合技術(shù)在飛行器氣彈分析中具有明顯優(yōu)勢,采用隱式算法,用戶可以使用符合真實物理過程的時間步長,從而達(dá)到穩(wěn)定、高效、精確的瞬態(tài)分析。尤其是在機(jī)翼顫振分析中,ANSYS-FSI雙向流固耦合技術(shù)避免了傳統(tǒng)方法“準(zhǔn)模態(tài)”假設(shè),可以實現(xiàn)流場瞬態(tài)分析和機(jī)翼結(jié)構(gòu)非線性的耦合,符合顫振的實際機(jī)理。

燃油動力系統(tǒng)是保證發(fā)動機(jī)正常工作所必需的系統(tǒng)和附件的總稱。其組成取決于飛機(jī)所用發(fā)動機(jī)類型,可由下面的全部或部分系統(tǒng)組成:(1)發(fā)動機(jī)及其起動、操縱系統(tǒng);(2)發(fā)動機(jī)固定裝置;(3)飛機(jī)燃油系統(tǒng);(4)飛機(jī)滑油系統(tǒng);(5)發(fā)動機(jī)散熱裝置;(6)防火和滅火裝置;(7)進(jìn)氣和排氣裝置;在飛機(jī)燃油動力系統(tǒng)實際研制過程中,通常需要考慮發(fā)動機(jī)復(fù)雜流動換熱、發(fā)動機(jī)滅火過程、飛機(jī)燃油系統(tǒng)分析等問題。

1、壓縮機(jī)、渦輪機(jī)分析

氣動穩(wěn)定性設(shè)計是當(dāng)代航空發(fā)動機(jī)發(fā)展研制過程中的重要技術(shù)問題之一。在航空發(fā)動機(jī)中,對氣流最敏感的部件是風(fēng)扇、壓氣機(jī)和渦輪。在以上3個部件中,CFD的主要應(yīng)用集中在對壓氣機(jī)和渦輪效率分析上,多級壓氣機(jī)/渦輪最主要的氣動問題就是各級流動是否匹配,總的效率是否達(dá)到設(shè)計要求。在渦輪方面,CFD不僅可以計算渦輪效率,而且對渦輪葉片的冷卻效果分析有著重要的應(yīng)用。

2、飛機(jī)發(fā)動機(jī)艙內(nèi)滅火過程FLUENT分析

飛機(jī)發(fā)動機(jī)滅火系統(tǒng)極為復(fù)雜,而且滅火過程對于飛機(jī)安全性影響極大,因此CFD分析已經(jīng)成為必不可少的評估手段。分析會涉及閃蒸、相變、多相流等復(fù)雜流動換熱問題,Fluent軟件中豐富的多相流及相變模型可以有效解決這一復(fù)雜仿真問題。

3、飛機(jī)發(fā)動機(jī)艙內(nèi)復(fù)雜流動換熱CFX分析

飛機(jī)燃油動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,飛機(jī)發(fā)動機(jī)燃燒室產(chǎn)生的高溫會影響各個部件的傳熱、應(yīng)力應(yīng)變。因此不僅僅需要CFX分析發(fā)動機(jī)艙內(nèi)溫度場、冷卻效果、流動分布,也需要耦合有限元分析溫度差導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變,因此ANSYS FSI多物理場分析工具是評估燃油動力系統(tǒng)復(fù)雜流動換熱及應(yīng)力應(yīng)變的必要手段。

4、飛機(jī)燃油系統(tǒng)FLUENT流體分析

燃油動力系統(tǒng)內(nèi)部有大量的泵、閥元件,比如有柱塞泵、齒輪泵、離心泵、引射泵等。CFD手段可以對這些泵閥元件的流動性能進(jìn)行評估,優(yōu)化設(shè)計性能。航空燃油通過這些泵閥元件可能會產(chǎn)生氣蝕,這也是影響元件壽命的破壞因素之一,可以應(yīng)用CFD手段對泵閥流動氣蝕現(xiàn)象進(jìn)行模擬,優(yōu)化元件設(shè)計。

此外,還有液壓系統(tǒng)、氣動噪聲、航電系統(tǒng)等的設(shè)計應(yīng)用。

當(dāng)前,世界各地的各大飛機(jī)設(shè)計單位每天都在為設(shè)計高效飛行器、提高燃油效率、改善乘客安全性和舒適性、提高設(shè)計能力加快設(shè)計設(shè)計周期,降低后期維護(hù)成本等而努力。同時,伴隨著環(huán)境保護(hù)的高漲,以及節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)的更新速度不斷加快,要求也更加嚴(yán)格,這也向飛機(jī)輕量化設(shè)計提出了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此全世界的各大航空巨頭公司都在日益加快高效飛行器設(shè)計、氣動優(yōu)化設(shè)計、飛機(jī)輕量化設(shè)計、高效率航空發(fā)動機(jī)設(shè)計等領(lǐng)域的研究投入,并取得了顯著成果。而這些都得益于現(xiàn)代仿真和優(yōu)化技術(shù)在飛機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用。

C919是我國航空工業(yè)設(shè)計能力的代表,同時也是飛機(jī)先進(jìn)設(shè)計理念和手段最集中的展現(xiàn)。某種意義上,以CAE仿真為代表的先進(jìn)設(shè)計手段為中國大飛機(jī)夢想插上了飛翔的翅膀。