飛機結構強度虛擬試驗技術研究

羅樹東

(中飛公司漢中飛機分公司設計研究院,陜西漢中 723000)

飛機結構強度虛擬試驗技術研究

羅樹東

(中飛公司漢中飛機分公司設計研究院,陜西漢中 723000)

本文對飛機結構強度虛擬試驗驗證技術進行了初步研究,提出了構建飛機結構靜強度虛擬試驗平臺的基本架構和思路,以及實施飛機結構強度虛擬試驗技術的一般工作流程。

結構強度 虛擬試驗 物理試驗

1 結構虛擬試驗技術介紹

隨著現代信息技術的飛速發展，建模與仿真、虛擬現實、計算機網絡等技術也有了巨大發展，促成了仿真、虛擬技術與試驗和評價的有效結合，正在改變著傳統的飛機設計流程。

飛機結構強度分析與驗證是飛機研制不可或缺的重要一環，飛機設計流程的改變必然要求強度分析與驗證程序的變化。這種變化主要體現在，第一，在設計飛機數字模型的同時，利用有限元技術隨時對結構的修改做出性能評估，相對于昂貴的結構試驗而言，大大地降低了設計階段的成本；第二，以經過驗證的分析工具為基礎，輔以必要的物理試驗，采用虛擬試驗(Virtual Testing)技術對結構進行認證，能縮短結構認證的周期，降低物理試驗的成本。

結構虛擬試驗一般指能夠預測結構破壞能力的評估結構強度的數值分析技術，該技術適用于金屬材料和復合材料，適用于結構的準靜態和動態響應。飛機結構靜力試驗規模大，費用高，試驗過程中無法預測的問題難以避免，試驗風險較大。對此，開展結構強度虛擬試驗技術研究有著極大的必要性和十分重要的意義。

2 結構虛擬試驗技術的內涵及特點

虛擬試驗是在長期積累的大量有關數據、有關的力學模型以及各類三維模型的基礎上，利用高性能計算機、網絡環境、傳感器或各種虛擬設備，建立能方便地進行人機交互的虛擬環境或虛實結合的環境，在此環境中對實體、物理樣機或虛擬樣機進行試驗，用可視化的方法觀察被試物體的性能及其相互間的關系，并對試驗結果進行分析與研究。虛擬試驗的內涵主要涉及三方面內容。

(1)試驗手段即試驗所需儀器設備的虛擬。(2)試驗對象的虛擬。(3)試驗環境的虛擬。

虛擬試驗是相對于真實產品的物理試驗而言的。虛擬試驗技術屬于可控制的、無破壞性的、耗費小并允許多次重復的試驗手段。在復雜產品的研制過程中，虛擬試驗不僅可以作為真實試驗的前期準備工作，而且在一定程度上可以替代傳統的物理試驗，從而達到縮短新產品試驗周期、降低試驗費用、提高產品質量的目的。

虛擬試驗不能完全代替真實試驗，虛擬試驗與真實的物理試驗具有互補性。物理試驗除了可以為虛擬試驗模型的確認提供必要的數據和信息外，還可以發現虛擬試驗不能涵蓋的問題。

3 結構虛擬試驗技術的發展概況

早在1984年，英國國家有限元方法及標準局(NAFEMS)就提出了在航空及其它相關領域開展仿真試驗的設想，歐洲在20世紀80年代就在Fokkerl00飛機上進行過用虛擬試驗替代全尺寸試驗的嘗試，美國采用試驗與分析相結合的方式，開展了星舟號(Starship)飛機強度的認證工作。近年來，美國Boeing公司建立了協同虛擬試驗(Collaborative Virtual TestingCVT)平臺GENOA和積木式的虛擬試驗驗證方法，采用虛擬試驗技術對X-37設計壽命性能進行了評估。

歐洲空客公司正在形成結構虛擬試驗的能力，在項目開發階段，主要驗證集成技術／潛力；在設計階段，采用參數化建模工具，支持設計或驗證新的設計概念，評估設計方案和降低設計風險；在認證階段，替代從主部件到全尺寸試驗的認證試驗。空客以過去的試驗經驗為基礎，對A340前梁屈曲(靜強度)、A380座艙鳥撞(瞬態動力學)、A300的47框裂紋分析(疲勞與損傷容限)以及發動機掛架的瞬態熱模型作了分析驗證，并提出了虛擬試驗項目的目標和發展路線圖。在空客公司，結構虛擬試驗已成為結構分析的一部分，并已取得了巨大的成就。

4 結構虛擬試驗與傳統結構分析和試驗的關系

4.1 結構虛擬試驗與結構分析、強度校核的關系

結構虛擬試驗是以微觀力學的逐漸破壞分析為基礎，采用不同層次的分析模型和高保真的破壞分析方法，利用已有的試驗數據，采用經過認證的、可靠的分析技術和軟件，對結構的響應性能快速做出反應，以比較不同的結構材料／工藝，判別結構設計的多種候選方案。虛擬試驗采用的破壞模式及分析模型需要通過一定的試驗標定或驗證，常規的結構分析軟件只是虛擬試驗的工具之一。

結構虛擬試驗軟件是一個開放式平臺，具有不斷完善補充經驗數據和有效的分析方法、對比評估數值仿真和真實的物理試驗結果的功能，通過不斷地積累提高虛擬試驗的可信度。結構虛擬試驗也不同于常規的強度校核，不僅要給出強度極限以及在使用環境下是否安全的強度結論，而且要模擬破壞過程，模擬破壞機理，挖掘結構潛力。虛擬試驗范疇遠大于強度校核。

4.2 結構的虛擬試驗與物理試驗的關系

結構的虛擬試驗與物理試驗共同點都是驗證結構的強度性能。但是虛擬試驗與物理試驗面向的對象不同，一個是數字模型，一個是真實物理模型，因此，所采用的試驗方法和核心技術不同。虛擬試驗主要研究如何建立準確的數學模型和如何利用數學模型準確分析結構響應，而常規結構試驗則側重于如何準確地加載和如何精確地測量結構的響應。

物理試驗主要證明結構在試驗載荷下結構是否破壞，用以驗證飛機結構的安全性，但是，物理試驗的成本很高，而且物理試驗通常并不做到破壞，即使進行破壞試驗，也只能選取一種最危險載荷情況，驗證破壞模式和破壞部位。虛擬試驗可進行上千種仿真試驗，驗證每一種載荷情況及每一種可能導致破壞的載荷情況，覆蓋面寬而且成本較小。

5 飛機結構靜強度虛擬試驗技術

5.1 飛機結構強度試驗虛擬試驗要求

一種新型飛機的研制需要進行全機結構強度靜力驗證試驗以及大量的、各種類型和各種規模的飛機結構部件強度靜力驗證試驗，以保證整個飛機結構在強度設計上是可靠的和最優的，對于改進、改型飛機，也需要經過試驗來驗證結構的強度性能以及所用的分析方法和工具的正確性，總之每種飛機結構及結構部件都要進行多種載荷情況的強度試驗，整個飛機結構靜強度試驗過程不僅要耗費大量的人力和物力，還要花費相當長的時間才能完成，是造成新型飛機研制成本很高、周期很長的一個重要原因。

使用計算機仿真技術，通過飛機結構強度靜力虛擬仿真試驗系統，在計算機上對虛擬的飛機結構或結構部件進行結構強度靜力虛擬仿真試驗，即：虛擬結構靜強度試驗，可以驗證與發現飛機結構設計中的各種缺陷并及時修改，這無疑將會極大地降低試驗成本，縮短試驗周期。

虛擬結構靜強度試驗是建立在大量真實的物理的試驗結果基礎之上的、解決現實結構靜強度試驗問題的計算機虛擬仿真試驗，飛機結構靜強度試驗仿真系統就是進行這種虛擬結構靜強度試驗的計算機軟件系統。是結構強度試驗的計算機仿真。

飛機結構靜強度試驗計算機仿真系統通過虛擬的結構靜強度試驗過程可以預先演練真實飛機結構靜強度試驗，發現試驗方案與試驗過程中可能存在的各種缺陷，保證真實強度試驗的成功進行；可以定性或定量地得到飛機結構的試驗結果，并隨著這種試驗結果準確性和可靠性的提高，在一定程度上可以取代部分結構靜強度試驗。

飛機結構強度虛擬試驗過程中存在著多種結構設計方案、多種分析模型，對這些設計方案和分析模型要進行對比分析和評估。對于每一種設計方案，無論是哪一種強度特征虛擬試驗，都涉及到虛擬試驗過程的流程組織與控制、過程數據的管理、不同部門之間的協調以及提高工作效率等問題。

為了解決上述問題需要選擇一個仿真管理平臺，在該平臺上研發飛機結構強度虛擬試驗系統，為強度虛擬提供操作平臺，從而建立虛擬試驗架構。

5.2 飛機結構強度虛擬試驗架構

飛機結構靜強度試驗主要包括三個組成部分。

(1)結構靜強度試驗大綱和試驗方案。

(2)靜力試驗的飛機結構試件。

(3)結構靜強度試驗過程。

針對飛機結構靜強度試驗的三個方面，所建立的飛機結構靜強度虛擬試驗系統包含：飛機結構靜強度試驗的試驗環境、試驗樣機和試驗過程的虛擬仿真。

對于上述虛擬試驗系統的要求，建立試驗虛擬試驗系統平臺架構，由三個子系統組成，即：結構靜強度虛擬試驗環境子系統、試驗虛擬樣機子系統和虛擬試驗過程子系統。這三個子系統既相互關聯又相互獨立，試驗虛擬環境和試驗虛擬樣機子系統可以分別開發，并可以獨立運行或聯合運行，虛擬試驗過程子系統是建立在這兩個仿真子系統之上的，與它們一起共同完成完整的飛機結構靜強度虛擬試驗。

5.2.1 虛擬試驗環境

靜力試驗環境仿真子系統能夠進行飛機結構靜強度試驗的試驗設計并同時模擬設計的設備安裝與運動，驗證試驗設計的正確性與可靠性。試驗環境仿真包括了結構靜強度試驗的試驗設計和環境仿真。

試驗設計環境仿真以真實比例尺寸顯示三維飛機結構的外形以及各種試驗設備的安裝效果，可以直觀地檢查膠布帶的粘貼位置、重疊情況、粘貼角度，杠桿系統的分區情況、連接效果以及加載設備連接情況。可以動態地檢查加載系統的干涉情況。

5.2.2 虛擬試驗樣機

試驗樣機仿真子系統通過虛擬的飛機樣機模擬真實飛機結構在承受各種載荷過程中結構發生的外部變化(幾何變形等)和內部變化(應力、應變等)規律。虛擬樣機仿真需要針對飛機結構的不同研究領域(靜力學、動力學、疲勞壽命等)建立不同的飛機結構仿真模型，飛機結構靜強度試驗仿真系統中的試驗樣機仿真模型是飛機結構強度靜力仿真模型。飛機結構的靜力有限元模型可以作為試驗樣機的一種仿真模型，有限元方法分析的結果作為仿真試驗的結果，有限元方法作為一種建模方法，即：建立飛機結構靜力分析的有限元模型。通過結構靜力有限元分析系統模擬飛機結構承受載荷時的表現行為(結構變形、應力和應變的變化)。

5.2.3 虛擬試驗過程

結構靜強度試驗過程的計算機仿真是通過虛擬現實(Virtual Reality)技術，在試驗環境仿真與試驗樣機仿真的基礎上，對整個飛機結構靜強度試驗體系與結果進行的計算機仿真。虛擬試驗過程調用和協調試驗環境仿真與試驗樣機仿真子系統動態地、直觀地表現飛機結構靜力數字試驗的過程和結果。

試驗過程仿真子系統不僅能對結構靜力試驗的執行系統(試驗載荷加載系統)進行仿真，也能對試驗的反饋系統(試驗數據采集系統)進行仿真。使用試驗過程仿真子系統演練飛機結構靜強度試驗并得到仿真試驗結果數據，以仿真結果為參考數據，在真實試驗中可以及時檢測出采集數據的異常并診斷出異常的根源，保證真實試驗的成功進行。

5.3 實施飛機結構靜強度虛擬試驗的工作流程

基于現階段飛機結構設計情況，以及結構強度虛擬試驗的特點、優點，建議開展結構強度虛擬試驗技術研究，實施靜強度虛擬試驗。

首先在總體、結構、強度集成設計平臺中建立飛機結構強度虛擬試驗系統，用于提供結構強度虛擬試驗平臺。

飛機結構虛擬試驗技術的核心內容是對設計的飛機結構進行準確地結構破壞能力的強度評估，給出數值分析結果以及結構破壞模式。

飛機結構靜強度試驗虛擬試驗流程可以歸納為以下幾個階段。

(1)制定試驗項目，編制試驗任務書、試驗大綱。

(2)進行結構有限元計算分析。

(3)進行虛擬試驗件設計，建立虛擬試驗環境。

(4)進行虛擬試驗。

(5)試驗結果評估，編制試驗報告。

基于上述規劃的流程，并結合CAD/CAE技術，定制飛機結構靜強度虛擬試驗過程。

6 開展飛機結構強度虛擬試驗的一些思考

飛機結構靜強度虛擬試驗系統的建立是開展飛機結構強度虛擬試驗技術的開始。通過飛機結構虛擬試驗結果與真實試驗結果的對比分析，不斷修正試驗環境、試驗樣機和試驗過程的建模方法和虛擬模型，建立飛機結構靜力模型的校核、驗證和確認(Verification Validation and Accreditation VV&A)方法和標準，使得對于某些結構類型或某些試驗類型可以使用計算機仿真試驗代替。

飛機結構靜強度虛擬試驗系統的建立不僅是飛機結構靜強度試驗計算機仿真的開始，也是其他飛機結構強度試驗計算機仿真的開始。以飛機結構靜強度試驗仿真系統為平臺，共享已建立的計算機軟件資源和數據資源將能很快地建立其他類型的飛機結構強度試驗仿真系統。

[1]張寶珍.虛擬試驗與仿真驗證技術在國外武器裝備研制中的應用.

[2]孫俠生,段世慧.飛機結構虛擬試驗與認證方法的發展趨勢.計算機測量與控制.

[3]趙雯,廖馨,代坤,彭健.虛擬試驗驗證技術發展思路研究.計算機測量與控制.

羅樹東(1974—),男,漢族,安徽舒城人,高級工程師,研究方向為強度設計和驗證技術。