飞跃山河湖海，技术护航未来｜航空子系统级结构的仿真验证

▲飞跃山河湖海，技术护航未来｜航空子系统级结构的仿真验证

[1] 联邦航空管理局（FAA），第14篇第一章第25部C小节，适航标准：运输飞机

[2] 欧洲航空安全局（EASA），CS-25认证规格与可接受的大型飞机合规方式

航空工业常用的薄壁结构容易受到各种失效模式的影响：静态或动态过载、屈曲、疲劳、蠕变等导致的断裂。结构验证的目的是，研究在任何临界载荷条件下，这些模式会不会导致结构失效。商用飞机的结构验证有严格的适航认证要求，美国联邦航空管理局（FAA）发布在《美国联邦法规》（CFR）第14篇第25部C小节，欧洲航空安全局（EASA）发布在CS-25的C小节。为确保结构满足适航要求，一般需要对不同层级的结构（从全尺寸结构到样片级别）开展物理验证和仿真验证。

近年来，飞机严重延迟和停飞现象屡屡出现，凸显出在早期设计阶段确保飞机符合监管要求的重要性。力学行为复杂、失效模式新颖的轻质复合材料的广泛使用，导致产品验证更具挑战性。

对于设计阶段和认证阶段所需的结构验证，达索系统提供全面的仿真解决方案，包含静态与动态强度、损伤容限和耐久性。子系统内材料的静态强度验证是基本要求。金属结构和碳纤维增强塑料等复合材料也可以验证，并且子系统内部件之间的复杂连接关系可以精确建模。无论是在工作站还是云端，工作人员都可以使用仿真，计算应力、应变、变形和失效指标，确定屈曲载荷和破坏载荷。对于内部结构复杂的复合材料，需要为所有铺层提供临界值，来计算安全容限。

复合材料加筋板的蒙皮屈曲

起落架、襟翼和其他控制面等许多子系统都是柔性设计的，能够承受动态载荷。工程师可以运用运动学和柔性连接定义对设计方案进行装配，创建出多种不同姿态的数据模型，从而捕获全面的飞行行为。然后使用隐式求解和显式求解程序，对飞机着陆等动力学事件进行仿真，评估子系统的动态强度。

由于空气动力学载荷，机翼上产生的应力分布

飞机子系统中的材料失效模式通常是复杂、渐进且非线性的，并且可能在许多载荷循环作用下缓慢发生。基于合适的损伤起始准则，有助于工程师预测局部材料失效的发生。然而就认证而言，还需要证明在结构的整个生命周期内，初始缺陷不会导致灾难性失效，即结构具有损伤容限。达索系统结构仿真解决方案支持金属裂纹扩展仿真、复合材料渐进损伤以及结构脱粘的独特功能，帮助工程师判断预损伤结构的残余强度。

复合材料夹层板在承受几乎不可见的冲击损伤后的残余强度

位移（英寸）

在子系统级仿真时，为确保使用正确的模型属性，通常需要提前进行样件级测试与仿真。基于样件级的实验数据，对仿真结果进行校准，以确定弹性与塑性材料属性、近似的紧固件行为、损伤初始和渐进准则。采用这种广泛应用的建模方法，针对几何结构简单的模型仿真，也可以借助先进的结构仿真技术。

此外，SIMULIA还能对高应力点进行疲劳耐久性后处理，依据部件和连接件的历年使用状况，如机动飞行、起降事件和地面操作，预测部件及连接件的寿命。

全球航空工业发展趋势对航空结构的验证提出若干挑战。设计周期的加快，需要企业缩短结构验证的时间。

基于3DEXPERIENCE平台，在搜索正确数据和开发正确验证模型方面，可以减少时间。通过协同与自动化，将结构建模时间从几个月压缩到几个星期。

3DEXPERIENCE的协同属性支持多个用户或团队并行开展工作，共同为大型子系统开发结构模型。通过协同的方法，支持重复使用企业最佳实践。

3DEXPERIENCE平台上的自动化建模技术能为大型装配体自动创建结构模型，从而大幅缩短网格和建模时间。

企业应该尽可能在研发早期做出重大决策，那么在研发后期由于设计迭代引起的成本增加相对可控。在早期设计阶段，需要获取详细的机身性能信息，才能对设计产生有效的影响。真实的工程仿真能够为所有开发阶段的设计决策提供支持，在减重的同时保持足够的性能裕度。在制作第一个物理样机之前，完成性能分析，有助于降低试验失败的风险，不仅能够节省时间与成本，而且还能够增强产品开发的信心。

在3DEXPERIENCE平台上，完全关联的设计集成，加速产品初期开发阶段的结构仿真建模。除了创建结构的几何数据，设计工程师通常能控制部件属性（如复合材料铺层和材料指定）和紧固件数据。仿真模块可以与CATIA几何体创建、复合材料设计和紧固件应用完全集成，能够确保在结构仿真模型中重复使用这些数据。

在结构仿真模型中，重复使用复合材料铺层数据

因为所有层级的仿真模型都基于设计模型并与之相关联，所以设计更新很容易传递给所有仿真工程师，助力他们基于设计的变更，有选择或自动的执行网格划分和模型更新。同样的，设计关联性使得仿真驱动设计理念得以落地，基于仿真结果对结构进行迭代更新。

在所有设计阶段，采用高精度、可扩展的力学解决方案，有助于提升通过适航认证的几率，并降低项目风险。

达索系统为线性和非线性结构力学提供统一的求解器解决方案，包含静态和动态结构仿真，以及热应力仿真。可以考虑所有类型的结构非线性仿真。特别是，基于几何体的表面平滑，具备强大的通用接触能力。

全面的材料本构模型库：包含线性和非线性弹性、塑性以及渐进损伤，支持金属、复合材料和轮胎真实建模。此外基于开放的接口，可以集成用户自定义的材料模型。

独特的断裂力学功能：支持扩展有限元方法（XFEM）研究金属和复合材料的裂纹扩展，支持虚拟裂纹闭合技术（VCCT）或基于表面的内聚力模型对结构脱粘行为进行仿真。

通过测试用例将需求连接到仿真的能力，确保企业研发流程的可追溯性。此外，也确保仿真模型和仿真结果与原始设计数据的可追溯性。

利用仿真来指导和优化昂贵的大尺度试验，有助于避免试验失败。采用真实的结构仿真降低此类试验的风险乃至替代此类试验，可以产生巨大的业务价值。

对于涉及结构破坏性的物理试验，大型子系统的成本超过1000万美元，全尺寸飞机的成本超过1亿美元。这给工程师们带来巨大的压力，他们需要减少物理试验的数量，并尽可能多地采用计算机数值分析替代物理试验。

大尺度复杂模型的结构仿真离不开一流的并行求解技术。并行求解技术拥有绝佳的可扩展能力和可靠性，能够显著缩短分析时间。

通过高效的数据流来突破大数据传输的需求，支持多核并行可视化结果，即使对很庞大的仿真结果，也能获得高品质渲染结果并实现快速查看。此外，能够生成轻量级仿真结果，方便在平板电脑上快速查看。

从样件模型到起落架系统，再到复杂的机翼-机身连接，都需要进行结构仿真，验证静态与动态强度、损伤容限和耐久性适航要求。为满足飞机创新设计和轻量化的要求，SIMULIA提供先进的仿真功能，如断裂力学建模、全面的材料库以及可扩展的真实结构仿真方法。在3DEXPERIENCE上集成SIMULIA技术，不仅能够提升工程效率，节省开发时间，而且还能在设计早期引入仿真技术，增强通过适航认证的信心，减少高成本的物理试验次数。