[科学技术]飞机设计中仿真技术应用现状及发展趋势

曹邦健

摘 要：本文研究了仿真技术在飞机设计中的主要应用方向，并分析了仿真在飞机设计中的应用价值，最后对发展趋势进行总结和分析。通过研究分析目前存在的不足，以及研究更为合理的仿真技术发展方向。

关键词：飞机设计;仿真技术;应用现状;发展趋势

飞机设计中的仿真技术对飞机设计的优化十分重要，可以通过对计算机强度、结构、耐久性、电磁等方面进行分析，确定飞机系统的各种动态性能和特征。在应用反正技术时，会利用计算机的运算功能，以及通过计算模型和数值模拟等方法确定结果，是一种重要的解决飞机设计问题的技术。

1 仿真技术在飞机设计中的应用方向

1.1 分析飞机结构强度

飞机的设计工作中，结构强度是飞机设计的基础，无论是飞机结构设计、飞机材料性质、机械结构性质、截面积、形状等等，都是结构强度分析的主要内容。虽然飞机对安全的要求极高，但是为了满足飞机的机械性能、飞行性能需求，一些位置可能会制作的比较薄弱。同时，随着科学技术的发展，大量的新材料、新结构被应用到飞机当中，更需要通过对结构强度的模拟分析，确定飞机结构问题，并不断进行优化[1]。但是在实际的分析中，可能会难以获得真实的分析结果，因为结构强度的模拟计算必然存在一定的偏差，设计人员还需要靠估算和放大载荷数来计算产品的强度，所以很不利于对产品的轻量化设计，需要获得更加准确的分析方法。

1.2 多体动力学仿真

飞机的很多组件在运动之后才能够发挥出功能，为此就需要使用多体动力学仿真技术，分析飞机中各种构件的运动状态，研究在飞机运行过程中结构的变化，以确定飞机的运动周期、运行时间、运动速度、飞机各种组件的受力状况等参数。仿真让用户在交互图形环境中使用零件库、力库来创建飞机的几何机械模型，求解多刚体的动力学以及结合理论分析拉格朗日方法，最终确定飞机的动力学方程。在研究过程中，可以使用虚拟机来进行静力学、运动学和动力学的全面分析。目前多体动力分析在刚体机械运动中比较成熟，虽然金属材料会有较大的刚度，但是由于材料的刚度并不是绝对的，具有一定的柔性，因此绝对的刚体运动分析可能并不能有效反应飞机的运动规律，还需要将其转化成柔性体进行计算。

1.3 电磁仿真分析

仅仅获得飞机的结构并不能满足设计的要求，还需要进行飞机的电磁伺服控制系统进行构件，同时该系统也是飞机能够飞行的关键。为此，就需要对飞机进行电磁仿真分析，分析飞机的电磁动作，研究飞机的电磁铁、电磁阀、电磁继电器、传感器等电磁装置的状态，以及在不同运行状态下的特性。通过直接耦合电磁场可以对电磁损耗导致的热耗散进行分析，研究飞机在飞行状态下电磁系统的升温特性，从而确定设备在正常运行时对各种参数变化的敏感度，从而确定设计参数的容差范围。利用高精度的电磁仿真模拟，还有利于确定设备的几何形状、材料属性、边界条件等参数，以及确定飞机的工作频率，加强对飞机的参数化分析，获得飞机设计的最佳方案。

1.4 非线性仿真分析

飞机的各种零件在应用的过程中可能会有静力学不能解决的问题，比如裂分、脆裂等等，由于不能采用简单的静力学手段，因此必须要使用非线性分析，研究接触、大变形等问題。

2 飞机设计中仿真技术的应用价值

仿真技术已经应用到了飞机设计的各个阶段当中，在飞机设计的整个流程中都发挥着极为重要的作用。

2.1 论证阶段

飞机设计之前需要先进行飞机设计的论证工作，在该阶段可以使用仿真技术建立概念样机，从而开展对飞机关键性能指标和子系统的验证工作，通过使用虚拟技术可以实现对飞机概念和原理的分析，并且对飞机的性能进行初步展示。

2.2 方案阶段

方案阶段会通过仿真技术进行多种方案的筛选工作，以及进行最终方案的早期验证。其次，飞机设计中会一些物力试验不能开展，就可以使用仿真技术来进行空间探索工作，优化飞机的总体设计，以及实现对方案的优化工作。比如在飞机设计过程中可以使用CFD进行第一轮启动载荷输入，并且利用风洞无法开展验证的极端条件来对数值进行仿真，以及扩大飞机尺寸的探索范围[2]。

2.3 工程研制阶段

在在阶段，仿真会全面地融入到产品的设计过程，会尽心各种零部件设计，通过仿真来对零件进行反复迭代，最终确定元件的拓扑结构和集合形状，以及确定零件的集合形状、尺寸和零件参数，并且通过仿真不断驱动设计。同时，工程的研制阶段还需要进行大量的研发试验，也要利用仿真技术来对物力试验进行简化，以及为物力试验提供相应的数据。有效的利用仿真试验，可以对工况进行筛选，而且能减少试验车次;对飞机构件性能的验证中，仿真试验能发现构件的问题，减少返工。

3 仿真技术的发展趋势

3.1 提升仿真资源库和可信度

仿真技术在飞机设计中的作用越来越重要，所以将仿真纳入到飞机的研制流程是飞机设计人员的共识，但是如何解决仿真的可信度问题，以及加强仿真资源库建设，都是未来仿真技术发展的主要方向。仿真的可信度来自于仿真模型、仿真输入输出数据、仿真算法程序等等[3]。由于我国比较看重对仿真技术的应用研究，所以在历史仿真数据、资源库和仿真经验知识和仿真数据库建设经验上还存在经验不足的问题，很多工程中所使用的仿真模型都来自于国外供应商，并没有利用自研算法，导致目前进行仿真度的评估比较困难。所以，在未来还要继续加强基础资源库的建设，加强自主算法的研发工作，构建可以应用于仿真的基础资源库，将成熟可靠的管理方法应用到仿真管理工作中。针对仿真工作的要求，建立多层级、多精度、多尺度的仿真模型，明确仿真工作规范，加强对仿真可信度的评估。

3.2 加强对虚拟集成仿真的学科优化

目前的仿真技术应用局限在单一专业或系统的内部，但是在进行多系统、全机械结构、综合系统试验分析还要依靠后期的物力试验。由于飞机的复杂度在不断提升，还需要工程领域加强对多系统联合仿真的优化，加强虚拟仿真体系的建设和研究，注重数字仿真和半实物仿真之间的融合，加强整合工作，更加准确地验证飞机的性能和结构，帮助飞机设计人员进行综合分析和权衡。

3.3 多专业协同仿真

为了加强对技术的综合利用，就需要进行多专业综合仿真工作，目前很多部门都是单点技术和手工作坊式的工作模式，存在规范性不足和效率低下的问题，不同专业之间的协同性比较差，仿真数据、经验知识之间缺少充分的积累和共享，不仅降低了工作效率，也产生了严重的资源浪费。在未来，还需要构建更加统一和开放的平台进行仿真工作，以及对各个阶段、各专业、各种类型的仿真任务构建科学的仿真流程，加强对仿真工作的工程化管理[4]。飞机的仿真领域中，还要引进更多种类的商用、自研仿真分析软件，进行集成化处理，满足大规模高性能计算的需求。仿真平台也要充分考虑和企业整个系统之间的融合，达到分析需求、初步设计、仿真优化、试验论证的全过程数据融合和创新，全面进行整合工作。

结束语

仿真技术带动了工程领域的发展，在飞机设计中的各个阶段都有十分广泛的应用。但是目前，仿真技术还存在一定的不足，尤其是存在碎片化的管理问题，不利于多专业整合和特长发挥。因此还需要加强对仿真技术的研发，推动多系统整合工作，深入软硬件技术研发，构建更符合未来需求的工作模式和管理模式。

参考文献：

[1]刘春，郭大鹏.虚拟制造技术在飞机设计与制造中的应用[J].航空制造技术，2017（21）：34-38.

[2]王平.面向飞机设计的虚拟现实技术应用框架研究[J].航空科学技术，2017，28（06）：47-51.

[3]杨建江.仿真技术在飞机设计中的应用[J].科技创新与应用，2017（04）：152.

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2021/06/28