完美實例講解：飛機艙門研發(fā)的cae仿真應(yīng)用

飛機的閉合系統(tǒng)是由多個零部件組成的復(fù)雜系統(tǒng)。無論是直升機還是其它類型飛機，艙門都需要具有開門、關(guān)門和緊急情況下工作等功能。針對不同的產(chǎn)品，我們不能使用相同的設(shè)計方案。艙門系統(tǒng)是根據(jù)各個飛機尺寸和政府法規(guī)設(shè)計的，整個研發(fā)過程需要平衡不同的需求。閉合系統(tǒng)的設(shè)計不但要求可靠工作，而且需要輕量設(shè)計。另外，設(shè)計方案必須充分滿足客戶的需求，甚至這些需求會發(fā)生變化。同時，還要保證產(chǎn)品研發(fā)過程與客戶項目關(guān)鍵時間節(jié)點保持同步。一般來說，設(shè)計方案必須考慮結(jié)構(gòu)可靠性、包裝、重量、加工性和成本要求。具體來說，工程師使用與約束協(xié)調(diào)的目標(biāo)評估艙門的結(jié)構(gòu)和運動特性以考察艙門的使用壽命和緊急情況的安全性。歐直公司cae仿真工具通過反復(fù)設(shè)計分析流程虛擬地評估設(shè)計方案的性能與可靠性。解決方案加速研發(fā)具體到艙門系統(tǒng)，需要考察艙門本身以及艙門與機身接口結(jié)構(gòu)的性能。艙門由門框、梁和幫助提高艙門密封性能的門邊組件構(gòu)成，接口結(jié)構(gòu)由限位臂、導(dǎo)引臂和機身接口支撐臂構(gòu)成。此外艙門系統(tǒng)還包括導(dǎo)輥和密封件等其它零件。研發(fā)部門首先完成基礎(chǔ)設(shè)計以達到客戶的要求，特別是材料類型和重量范圍。我們的設(shè)計開始于一個獨立的艙門，然后收到客戶更加詳細的數(shù)據(jù)，如飛行載荷和機身規(guī)格等，以便進行艙門細設(shè)計。由客戶及公司設(shè)定的評估方法一般是復(fù)雜的。對于不同零件，我們評估項目包括結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)以及屈曲和剛度穩(wěn)定性。所有零件都必須滿足應(yīng)力測試試驗，同時我們會提供一份艙門驗證報告。歐直公司具有一套包含密封、氣動和制動負(fù)載分別在內(nèi)艙門整體性能分析的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。此外，所有零件必須滿足屈曲、破壞和鉚釘屈曲等穩(wěn)定性要求。部分零件還要滿足額外的剛度需求，例如，與機身的接口必須承受來包括導(dǎo)輥、鉸鏈臂以及支架在內(nèi)艙門的重量。限位臂必須能夠承受艙門作用到機身上（或機身作用到艙門上）的所有載荷。與此同時，我們還進行了運動學(xué)分析。門框必須能夠承受艙門開啟時的動載。然而，動載的變化將引起接口所受載荷的變化并對結(jié)構(gòu)造成一定的影響。因此要同步進行結(jié)構(gòu)和運動學(xué)分析，以滿足兩者的性能要求。圖1工程師應(yīng)用仿真技術(shù)分析艙門組件受力和應(yīng)力狀態(tài)靈活的cae仿真飛機艙門的整個評估過程在軟件中可表示為一個"優(yōu)化”任務(wù)/循環(huán)。艙門系統(tǒng)定義為設(shè)計空間。在2D模型中，指定不同殼單元厚度為設(shè)計變量。優(yōu)化的目標(biāo)是減輕結(jié)構(gòu)重量，但必須保證各個組件都要滿足設(shè)計要求。這些要求以約束的形式體現(xiàn)，如所選工況下的剛度和應(yīng)力大小。同時也考慮最大殼厚度和材料類型等加工制造約束。這在系統(tǒng)優(yōu)化或單一結(jié)構(gòu)優(yōu)化時是有效的。項目進程中，我們開發(fā)了三種有限元模型（FEMs）：（1）包含全部零件的整體有限元模型，它是由飛機生產(chǎn)商提供的、簡化的模型；（2）中間有限元模型，主要用來評估工況，這些模型包含了更多的細節(jié)；（3）詳細有限元模型，用于強度分析和局部結(jié)構(gòu)分析。根據(jù)組件的構(gòu)成，我們?yōu)槠涠x連接單元和材料，然后選擇分析類型。Altair建模和可視化工具一HyperMesh和HyperView，能幫助我們快速響應(yīng)設(shè)計規(guī)范和負(fù)載變動并進行快速修改。我們先前的前后處理工具無法實現(xiàn)這種快速響應(yīng)。在產(chǎn)品研發(fā)流程中整合AltairHyperWorks工具的另一主要驅(qū)動力是它能保證我們按時完成研發(fā)任務(wù)在此過程中，我們還發(fā)現(xiàn)了該軟件的定制功能。比如，在艙門整體系統(tǒng)創(chuàng)建過程中，我們應(yīng)用HyperWorks的腳本語言進行批處理網(wǎng)格劃分和具體分析和求解模型組織過程的自動化。根據(jù)我們的工作流程和具體研發(fā)環(huán)境量身定制的HyperWorks具有多個好處。比如，通過創(chuàng)建專有數(shù)據(jù)庫，我們將活動更多的模型控制參數(shù)。同時HyperWorks提供統(tǒng)一的前后處理環(huán)境。總之，這些優(yōu)勢為縮短我們的。人￡研發(fā)周期做出了重大貢獻。艙門支撐臂優(yōu)化除了使用cae仿真工具的強度工程師，歐直公司的工程師團隊還包括優(yōu)化專家，他們的工作是評估艙門和零部件的優(yōu)化設(shè)計。一個典型的例子是最近的仙童-道尼爾728型飛機艙門支撐臂設(shè)計。應(yīng)用Altair結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件，工程師們獲得了約為20%的減重設(shè)計。通過應(yīng)用AltairOptiStruct拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，工程師能夠在不進行多種CAD設(shè)計方案開發(fā)、評估和反復(fù)迭代情況下結(jié)合產(chǎn)品性能和設(shè)計目標(biāo)完成概念設(shè)計艙門鉸鏈最初設(shè)計是由OptiStruct綜合艙門鎖定、緊急開門和敲擊三個工況給出的最大剛度方案。與此同時，優(yōu)化過程中考慮了支撐臂的拔模約束，以便獲得一個可實際生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)。然后在滿足所有工況和最大許用應(yīng)力狀態(tài)下優(yōu)化肋結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸，進一步減輕結(jié)構(gòu)重量。由此帶來的結(jié)果令人倍受鼓舞的，歐直公司在不降低艙門支撐臂剛度的情況下減少約20%的結(jié)構(gòu)重量。此外，研發(fā)和驗證新型支撐臂結(jié)構(gòu)的時間從三個月縮短至三個星期。與此同時，歐直公司還將優(yōu)化工具成功應(yīng)用到其它項目中，如工程師進行了支線噴氣式飛機艙門限位支架和鉸鏈臂仿真分析以及整個艙門系統(tǒng)輕量優(yōu)化設(shè)計.、①8AO.蒼U.SW」OM&S①_巖奇、、§￡￥