飛行載荷設計平臺初探

趙 鑫 / ZHAO Xin

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

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飛行載荷設計平臺初探

趙 鑫 / ZHAO Xin

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

飛行載荷在飛機結構設計中處于設計輸入范疇，多變且重要，其準確及快速迭代是現代化飛機設計的重要能力。當下紛繁雜亂的平臺工具為設計工作提供了很多選擇，但要能夠同時滿足這兩個條件的還是少數。為此，本文以流程為主線，通過輸入、輸出、工作單元等表現形式對部分平臺進行了深度剖析，同時考慮了平臺的擴展性能及使用后可能帶來的效益進行了預估，認為FlightLoads平臺是其中比較優秀的一款，為各類研究機構提供參考。

飛行載荷；迭代；集成；管理；平臺

1 飛行載荷設計平臺的背景

1.1 飛行載荷設計平臺的應用現狀

早在4、5年前，根據《飛機強度和剛度規范》，一些飛行器科研院所就建立了飛行載荷分布平臺，并正在使用。它大致涉及如下內容：飛行力學、飛行載荷計算、結構強度校核等。

隨著飛行器產品研制的不斷發展，飛行載荷的計算被放到了首要地位；隨著型號任務增多，飛行載荷的設計與應用面臨如下問題和挑戰。

1)預研和在研型號多，而且要求周期短，急需通過提高載荷的計算和結構分析能力和效率，改造現有研制流程，縮短研制周期，減少重復工作，從而提高研制水平；

2)目前，雖有飛行工況分析、飛行載荷計算、結構強度校核的載荷分布平臺軟件，但由于歷史和條件限制等原因，該軟件版本較陳舊，其功能有待提高，目前的版本還缺乏一個結構優化和載荷優化分布的環節，而該步驟正是飛行器設計的重要內容；

3)面對國外設計理念、方法和手段向數字化、虛擬化轉移的趨勢，急切需要通過先進的論證手段和設計流程，結合版本現狀，摸索創立新的設計流程，這其中，與研制流程相適應的計算機輔助工程(Computer Aided Engineering,以下簡稱CAE)仿真管理系統是至關重要的一環；

4)缺乏CAE在型號研制中的流程規范。不同學科，沒有規范性的、流程化的CAE分析矩陣。缺乏CAE數據、流程和項目的有效管理機制和平臺。CAE分析過程中產生的過程數據和最終數據是非常重要的產品性能數據，但卻較為分散，只是個人知識，沒能形成共享的知識庫。CAE分析工程師日積月累形成的巨大工作成果和智力投入沒有得到有效保存和再利用。

1.2 飛行載荷設計平臺建設的必要性

隨著航空工業的快速發展，各類飛行器型號任務越來越多，研發流程中的仿真分析工作量也越來越大。因此在當前階段，加強對設計分析數據的管理，通過統一的平臺實現標準化的載荷分析和設計流程，提高仿真分析的質量和效率，對于提高產品開發水平和質量，縮短研發周期，進一步節省開發費用具有關鍵的意義。

一般飛機設計過程中，涉及飛行載荷計算的方方面面如圖1所示。

圖1 飛行載荷設計總體圖

對于飛行載荷的計算還涉及靜氣彈發散問題，在沒有先進的仿真分析軟件工具時，工程師往往求助于風洞試驗與飛行試驗來評估設計的優劣和保證飛行任務的順利完成。然而，與風洞試驗和飛行試驗相比，數值計算方法分析靜氣動彈性問題耗費小、周期短，同時風洞試驗與飛行試驗往往在設計后期進行，這時如果出現氣動彈性發散問題，更改產品設計的代價十分巨大。CAE可以在更早的設計初期發現并預測氣動彈性問題，減少后期的設計更改，因此受到了眾多科研及工程技術人員的青睞。

2 飛行載荷設計平臺的內容

2.1 飛行載荷計算

在飛行載荷軟件還沒有發展起來以前，飛行器的載荷估算都是通過手工計算或簡單的試驗測試所得，既不準確，也比較耗時、耗力。目前，市面上存在兩款氣動彈性分析軟件。

MSC公司的飛行載荷軟件是以MSC.FlightLoads為核心的氣動模型建立和載荷瀏覽前后置處理，以MSC.Nastran Aeroelasticity I和MSC.Nastran Aeroelasticity II為核心求解器，同時還輔以Patran和Nastran的基本模塊，可方便、快捷地根據不同的載荷工況計算出飛機各個姿態的載荷分布情況。

ZONAIR是用于飛行器飛行載荷以及靜氣彈設計和分析的專用軟件，由美國ZONA Technology 公司研究開發。

2.2 結構強度校核

當飛行載荷確定以后，對于飛行器設計，一般會有如圖2所示的要求。

圖2 飛行器設計要求

在飛行載荷的作用下，飛行器結構設計應滿足如下要求：

1)重量要求：在滿足強度、剛度、穩定性和壽命的條件下重量盡量輕。

①強度：結構承受載荷時抵抗破壞的能力；

②剛度：結構在載荷作用下抵抗變形的能力；

③穩定性(屈曲)：結構的一種失效形式，表現為當結構受到很高、但小于它所能承受的極限壓力的應力時，會失效。這種失效常歸結于彈性不穩定性；

④壽命：從開始使用到報廢的時間。

2)結構材料要求：

①采用比強度和比剛度大的材料；

②具有一定的耐高溫和耐低溫性能；

③具有良好的抗老化和耐腐蝕能力；

④具有足夠的斷裂韌性和良好的抗疲勞性能；

⑤具有良好的加工性能、資源豐富、價格低廉。

3)結構的承載要求

飛行器結構在飛行載荷(包括一些集中載荷)的作用下，必須滿足強度、剛度、穩定性和壽命等要求。其中，氣動力(飛行載荷)由自編或專門的飛行載荷軟件分析計算，而結構的強度、剛度、穩定性分析以及壽命分析也由相關計算分析軟件來完成。

3 飛行載荷平臺方案的實現

飛行載荷優化分布平臺仿真管理平臺由三大部分組成，分別是仿真管理模塊、自動化分析功能模塊以及多學科集成分析引擎。

飛行載荷分析系統平臺分為四個大模塊，分別是系統管理模塊、標準規范庫模塊、分析數據管理模塊和分析流程管理模塊。其具體構架圖如圖3所示。

圖3 飛行載荷分析平臺圖

采用相應的仿真分析管理體系來建立飛行載荷分布平臺，可以概括為以下幾個方面。

1)載荷數據管理

能夠對仿真分析相關的數據，包括所有輸入數據、輸出數據、中間過程數據以及分析報告等進行有效保存和管理，包括數據存儲與歸檔、數據瀏覽、數據查詢、數據間譜系關系查詢以及數據的版本管理等。應開發數據歸檔的界面，方便分析人員對日常分析任務的數據進行提交和歸檔；歸檔時的數據將按照專業、型號等屬性進行歸類，這種方式便于數據歸檔后能夠按照這些屬性顯示和查詢。調用平臺的標準化功能或學科流程執行分析任務時，任務完成所得的數據應能夠自動存儲在分析平臺中。

2)試驗數據管理

能夠對虛擬風洞和物理風洞試驗數據進行存儲和歸檔。平臺中應開發相應的功能和界面，相關人員可以通過該界面提交和歸檔試驗數據。試驗數據和仿真分析數據在歸檔時都應當按照型號和專業進行歸類。

3)通用分析功能的集成

平臺應將通用的分析功能定制為標準化功能模塊和菜單，如模型檢查、計算求解、后處理與關鍵結果抽取、報告生成等。可以方便地在界面中選擇這些標準化功能模塊，形成分析工作序列和任務流，對提交的計算模型文件進行操作，從而高效地執行分析任務。圖4為分析流程實例。

圖4 飛機結構強度校核分析流程圖

飛行載荷計算完成后，該流程分為三步：

①多工況載荷的計算

處理編號1處理名稱多工況載荷的計算使用工具Flightloads/Patran輸入①物理/虛擬風動數據文件(文本文件)②幾何模型(igs等)處理簡介從Flightloads/Patran建模會寫出一個*.ses,它包括物理/虛擬風洞數據和氣動載荷的計算分析輸出①載荷結果文件(*.bdf,*.f06,*.rpt)其他說明無

②多工況強度、剛度和穩定性分析

處理編號2處理名稱多工況強度、剛度和穩定性分析使用工具Nastran輸入①載荷結果文件(*.bdf)處理簡介上一步的載荷結果加載到結果模型,提交nas-tran多工況分析,又寫出一個*.ses文件輸出①多工況分析結果(*.f06,*.rpt,*.op2)其他說明無

③疲勞壽命分析

處理編號3處理名稱疲勞壽命分析使用工具Fatigue輸入①xxxxx(*.op2)處理簡介在patran界面提交Fatigue分析,再寫出一個*.ses文件輸出①xxx文件(*.rpt)其他說明無

4)專業分析流程集成

除通用分析功能外，對目前較為成熟的學科專業分析流程，進行梳理并定制到仿真分析管理平臺中。進入平臺后，可方便地進入各學科分析流程中，亦可通過定制的標準分析流程開展項目。

5)項目管理

系統應具備強大的項目管理功能。參與項目的各類人員，包括主管領導、項目主管、分析工程師等，在分析平臺中的任務和權限應有明確的定義。如項目的發起權、管理權、監測權、執行權，任務的具體分配，流程的可見性，數據的使用權限，分析報告的審批權等。人員權限管理的最終目的，是使各類人員能夠有組織地根據各自的任務權限開展工作，實現團隊的協同。在平臺中開發相應的界面菜單，使管理員可以直觀地進行項目管理和人員權限任務分配等。

6)系統管理

平臺應具備強大的系統管理功能，具體包括人員賬戶管理、專業管理、密級管理、型號管理、系統日志查詢、項目查詢等功能，方便管理人員對系統進行操作、監控和管理。

7)AVIDM系統集成

仿真管理平臺應能夠與PDM系統AVIDM實現無縫連接和緊密集成，可以方便地與AVIDM系統進行數據交互，從而達到設計、分析的協同，實現多學科設計、仿真分析和試驗的一體化協同平臺。

8)高性能計算調度軟件集成

平臺應當開發與高性能計算調度軟件的接口，能夠在求解計算時通過高性能計算調度軟件調用高性能計算資源，計算結果能夠自動保存到數據庫中。

4 飛行載荷平臺的預期效果

1)通過建設仿真試驗平臺，可以實現仿真試驗數據的共享、仿真試驗流程的標準化和自動化，提高仿真試驗的效率，加快仿真進程，提高對軟硬件資源的利用率概率；

2)提高分析效率，增加分析整體數量，減少分析準備、等待時間；

3)自動化最佳實踐流程；

4)分析和設計同步，跨部門工作效率一般提高50%，單個分析工程師的效率一般提高2～4倍；

5)減少設計時間80%，縮減設計評估時間60%～80%；

6)顯著減少樣機、人工和試驗費用；

7)提出了一整套使用虛擬或物理風洞實驗的非線性氣動力數據進行飛機飛行載荷計算的方法，成功地研制了帶有載荷數據庫的計算分析軟件。

5 結論

通過以上的分析研究，建立適合飛機的飛行載荷設計平臺既迫切又有益于飛機設計過程，值得更進一步的深入研究。

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[2] 宗寧，等.飛機飛行載荷確定方法研究[C].中國航空學會飛行力學與飛行試驗專業委員會第十九屆學術交流會，2003.

[3] 孫本華.軍用飛機飛行載荷計算方法研究[J].空氣動力學學報, 2006，24(2):238-242.

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[5] 黃仁，等.不確定氣動載荷計算的區間分析方法[J]. 北京航空航天大學學報，2013，39(4):525-530.

Primary Study of Design Platform about Flight Loads

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

Flight loads are the important input of the aircraft design. The accruary and quick evalution of flight loads are the most important capability of modern aircraft design. A variety of platform give us lots of choice ,but still not enough. The article alone the flow,and take apart the platforms with input、output and work union. After considering the expanding capability and uncertain profit ,the FlightLoads platform is commended.

flight load;iteration;integrate;manage;platform

10.19416/j.cnki.1674-9804.2016.03.022

V215

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