CAE仿真助力大飛機夢想起飛

具有自主知識產(chǎn)權的C919是建設創(chuàng)新型國家的標志性工程,針對先進的氣動布局、結構材料和機載系統(tǒng),研制人員共規(guī)劃了102項關鍵技術攻關,包括飛機發(fā)動機一體化設計、先進機翼的設計、電傳飛控系統(tǒng)控制律設計、主動控制技術等。由于先進材料和先進設計手段的應用,體型較大的C919整體減重在7%以上。

以大飛機為典型代表的現(xiàn)代飛機設計是一項復雜、周期很長、技術含量非常高的工作, 其研發(fā)過程充滿了挑戰(zhàn)性。同時,大型飛機的設計也是現(xiàn)代先進設計方法和工具應用最為成熟和全面的領域。其中,現(xiàn)代先進的CAE仿真技術應用可以大大提高飛機的研發(fā)設計能力,有效指導新產(chǎn)品的研發(fā)設計,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)代飛機的設計包括了:飛機總體設計、飛行控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、水系統(tǒng)、武器系統(tǒng)等,這些系統(tǒng)在設計、制造和研發(fā)過程中應用的學科,幾乎涉及了所有重要專業(yè)領域,涉及到結構力學、流體力學、傳熱學、材料、微機電系統(tǒng)等。

在現(xiàn)代飛機研制中,CAE仿真技術的應用領域涵蓋了以下多個領域:

飛機總體布局設計涉及到氣動、強度、舒適性、噪聲、疲勞壽命、結構優(yōu)化等多方面的工程問題。隨著現(xiàn)代CAE/CFD仿真技術的日趨成熟,主機所逐漸將先進的仿真研發(fā)手段與試驗和經(jīng)驗相結合,形成互補,從而提升研發(fā)設計能力,有效指導新型號的研發(fā)設計,節(jié)省開發(fā)成本,縮短開發(fā)周期。

CAE仿真可以對飛機的各大部件如機身、機翼、舵面、發(fā)動機短艙、氣密艙、起落架等進行常規(guī)的結構分析、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行諸如流體-固體耦合、熱-結構耦合、磁-結構耦合以及電-磁-流體-熱-結構耦合分析。下面是仿真技術在飛機總體設計的應用:

• 概念及方案階段的氣動布局選型計算

• 全機及整流部件減阻設計

• 高升力裝置氣動設計

• 飛機/機翼大迎角氣動特性分析

• 機翼拓撲優(yōu)化設計分析

• 飛機多學科優(yōu)化分析

• 外掛物布置及分離過程分析

• 紅外隱身特性分析

• 進氣道/發(fā)動機艙氣動分析

• 民機反推力及進氣畸變分析

• 螺旋槳滑流氣動特性分析

1、飛機整機結構分析

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

2、飛機鳥撞、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的撞擊效果和合理的耐撞結構,可良好地模擬飛機墜地事故中乘員所收到的沖擊以及安全帶的作用。

3、全設計周期的飛機結構壽命細節(jié)優(yōu)化設計

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

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

ANSYS廣泛應用于航空航天領域,為飛機結構中的復合材料層合結構分析提供了完整精確的解決方案。下圖應用ANSYS ACP(復合材料)+ Mechanical (有限元)+ Fluent(氣動) + DX(快速優(yōu)化)做的機翼復合材料結構/氣動耦合輕量化設計分析。

復合材料機翼ANSYS多物理場優(yōu)化

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

GTAM將拓撲優(yōu)化集成到ANSYS環(huán)境當中,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拓撲優(yōu)化分析并管理。

飛機結構的氣動彈性分析是飛行器研制過程中必須考慮的問題。飛機在起飛、降落、巡航或機動飛行狀態(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),此變形會導致飛機的氣動特性發(fā)生明顯變化,所以對飛機進行氣彈分析非常重要。

1、靜氣彈

在飛機設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,從而達到穩(wěn)定、高效、精確的瞬態(tài)分析。尤其是在機翼顫振分析中,ANSYS-FSI雙向流固耦合技術避免了傳統(tǒng)方法“準模態(tài)”假設,可以實現(xiàn)流場瞬態(tài)分析和機翼結構非線性的耦合,符合顫振的實際機理。

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

1、壓縮機、渦輪機分析

氣動穩(wěn)定性設計是當代航空發(fā)動機發(fā)展研制過程中的重要技術問題之一。在航空發(fā)動機中,對氣流最敏感的部件是風扇、壓氣機和渦輪。在以上3個部件中,CFD的主要應用集中在對壓氣機和渦輪效率分析上,多級壓氣機/渦輪最主要的氣動問題就是各級流動是否匹配,總的效率是否達到設計要求。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用。

2、飛機發(fā)動機艙內(nèi)滅火過程FLUENT分析

飛機發(fā)動機滅火系統(tǒng)極為復雜,而且滅火過程對于飛機安全性影響極大,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雜仿真問題。

3、飛機發(fā)動機艙內(nèi)復雜流動換熱CFX分析

飛機燃油動力系統(tǒng)結構復雜,飛機發(fā)動機燃燒室產(chǎn)生的高溫會影響各個部件的傳熱、應力應變。因此不僅僅需要CFX分析發(fā)動機艙內(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致的結構應力應變,因此ANSYS FSI多物理場分析工具是評估燃油動力系統(tǒng)復雜流動換熱及應力應變的必要手段。

4、飛機燃油系統(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行評估,優(yōu)化設計性能。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,可以應用CFD手段對泵閥流動氣蝕現(xiàn)象進行模擬,優(yōu)化元件設計。

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

當前,世界各地的各大飛機設計單位每天都在為設計高效飛行器、提高燃油效率、改善乘客安全性和舒適性、提高設計能力加快設計設計周期,降低后期維護成本等而努力。同時,伴隨著環(huán)境保護的高漲,以及節(jié)能減排標準的更新速度不斷加快,要求也更加嚴格,這也向飛機輕量化設計提出了更嚴峻的挑戰(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計、氣動優(yōu)化設計、飛機輕量化設計、高效率航空發(fā)動機設計等領域的研究投入,并取得了顯著成果。而這些都得益于現(xiàn)代仿真和優(yōu)化技術在飛機設計中的應用。

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