利用HyperWorks仿真流程化的飞机舱门研发

仿真流程化的飞机舱门研发

欧洲直升机公司应用仿真技术缩短研发周期并实现飞机闭合系统研发流程自动化

公司介绍

欧洲宇航防务集团（EADS）直属的欧洲直升机公司集团（简称欧直公司）是全球商用和军用直升机开发商，同时它也参与欧洲空客飞机舱门与整流罩项目的开发。该公司于1992年由宇航马特拉公司（法国）直升机分部和戴姆勒-克莱斯勒宇航公司（德国）组建而成。欧直公司的产品和服务涉及设计、生产、飞行试验、持续适航、培训、维修和质量等多个领域，其主要目标是确保飞机飞行安全。与此同时，它还提供创新的产品以满足来自150多个国家的客户的不同需求。在产品创新方面，欧洲直升机公司一直寻找方法来提高包括闭合系统等在内的飞机部件的性能和效率。为此，欧洲直升机公司选择使用一流的软件以确保飞机安全、改善飞机的性能以及定制舱门分析流程自动化。

挑战

飞机的闭合系统是由多个零部件组成的复杂系统。无论是直升机还是其它类型飞机，舱门都需要具有开门、关门和紧急情况下工作等功能。针对不同的产品，我们不能使用相同的设计方案。舱门系统是根据各个飞机尺寸和政府法规设计的，整个研发过程需要平衡不同的需求。闭合系统的设计不但要求可靠工作，而且需要轻量设计。另外，设计方案必须充分满足客户的需求，甚至这些需求会发生变化。同时，还要保证产品研发过程与客户项目关键时间节点保持同步。一般来说，设计方案必须考虑结构可靠性、包装、重量、加工性和成本要求。具体来说，工程师使用与约束协调的目标评估舱门的结构和运动特性以考察舱门的使用寿命和紧急情况的安全性。欧直公司应用仿真工具通过反复设计分析流程虚拟地评估设计方案的性能与可靠性。

解决方案

加速研发

具体到舱门系统，需要考察舱门本身以及舱门与机身接口结构的性能。舱门由门框、梁和帮助提高舱门密封性能的门边组件构成，接口结构由限位臂、导引臂和机身接口支撑臂构成。此外舱门系统还包括导辊和密封件等其它零件。

研发部门首先完成基础设计以达到客户的要求，特别是材料类型和重量范围。我们的设计开始于一个独立的舱门，然后收到客户更加详细的数据，如飞行载荷和机身规格等，以便进行舱门细化设计。

由客户及公司设定的评估方法一般是复杂的。对于不同零件，我们评估项目包括结构应力状态以及屈曲和刚度稳定性。

所有零件都必须满足应力测试试验，同时我们会提供一份舱门验证报告。欧直公司具有一套包含密封、气动和制动负载分别在内舱门整体性能分析的稳定性标准。此外，所有零件必须满足屈曲、破坏和铆钉屈曲等稳定性要求。

部分零件还要满足额外的刚度需求，例如，与机身的接口必须承受来包括导辊、铰链臂以及支架在内舱门的重量。限位臂必须能够承受舱门作用到机身上（或机身作用到舱门上）的所有载荷。

与此同时，我们还进行了运动学分析。门框必须能够承受舱门开启时的动载。然而，动载的变化将引起接口所受载荷的变化并对结构造成一定的影响。因此要同步进行结构和运动学分析，以满足两者的性能要求。

工程师应用仿真技术分析舱门组件受力和应力状态

灵活的仿真

飞机舱门的整个评估过程在软件中可表示为一个 “优化”任务/循环。舱门系统定义为设计空间。在2D模型中，指定不同壳单元厚度为设计变量。

优化的目标是减轻结构重量，但必须保证各个组件都要满足设计要求。这些要求以约束的形式体现，如所选工况下的刚度和应力大小。同时也考虑最大壳厚度和材料类型等加工制造约束。这在系统优化或单一结构优化时是有效的。

项目进程中，我们开发了三种有限元模型（FEMs）：（1）包含全部零件的整体有限元模型，它是由飞机生产商提供的、简化的模型；（2）中间有限元模型，主要用来评估工况，这些模型包含了更多的细节；（3）详细有限元模型，用于强度分析和局部结构分析。

根据组件的构成，我们为其定义连接单元和材料，然后选择分析类型。Altair建模和可视化工具—HyperMesh和HyperView，能帮助我们快速响应设计规范和负载变动并进行快速修改。

我们先前的前后处理工具无法实现这种快速响应。在产品研发流程中整合Altair HyperWorks 工具的另一主要驱动力是它能保证我们按时完成研发任务。

在此过程中，我们还发现了该软件的定制功能。比如，在舱门整体系统创建过程中，我们应用HyperWorks的脚本语言进行批处理网格划分和具体分析和求解模型组织过程的自动化。

根据我们的工作流程和具体研发环境量身定制的HyperWorks具有多个好处。比如，通过创建专有数据库，我们将活动更多的模型控制参数。同时HyperWorks提供统一的前后处理环境。总之，这些优势为缩短我们的CAE研发周期做出了重大贡献。 

舱门支撑臂优化

除了使用仿真工具的强度工程师，欧直公司的工程师团队还包括优化专家，他们的工作是评估舱门和零部件的优化设计。一个典型的例子是最近的仙童-道尼尔728型飞机舱门支撑臂设计。应用Altair结构优化软件，工程师们获得了约为20%的减重设计。通过应用Altair OptiStruct拓扑优化技术，工程师能够在不进行多种CAD设计方案开发、评估和反复迭代情况下结合产品性能和设计目标完成概念设计。

舱门铰链最初设计是由OptiStruct综合舱门锁定、紧急开门和敲击三个工况给出的最大刚度方案。与此同时，优化过程中考虑了支撑臂的拔模约束，以便获得一个可实际生产的结构。然后在满足所有工况和最大许用应力状态下优化肋结构的形状和尺寸，进一步减轻结构重量。由此带来的结果令人倍受鼓舞的，欧直公司在不降低舱门支撑臂刚度的情况下减少约20%的结构重量。此外，研发和验证新型支撑臂结构的时间从三个月缩短至三个星期。与此同时，欧直公司还将优化工具成功应用到其它项目中，如工程师进行了支线喷气式飞机舱门限位支架和铰链臂仿真分析以及整个舱门系统轻量优化设计。

欧直公司减轻舱门支撑臂重量达20%，缩短研发周期达75%。

结论

我们在结构强度部门获得的成果（按照指定标准建模，工作周期由数月缩短至数周）已经得到了欧直公司其它部门工程师的认可。事实上，欧直公司已开始向其它部门推广这些最佳实践，以实现整个公司工具和工作流程的一致化。通过HyperWorks开放的架构和灵活的脚本语言，欧直公司将大量重复性工作自动化，大大降低了研发周期，不管后期设计是否发生变更。我们还建立了模型创建的标准框架以帮助我们保证模型质量和可靠性。

思想无边界

2010年，欧洲宇航防务集团（EADS）直属的欧洲直升机公司在民用和准军用直升机市场占用率达49%。2010年，其年收入接近69亿美元，收到了346种新型直升机的研发订单。

在“思想无边界”理念的带领下，从开发出全球第一架燃气涡轮直升机（与透博梅卡公司合作）到推出第一架太阳能飞机，欧直公司拥有丰富的创新历史。目前，该公司拥有大约2300项专利并计划每年推出一架新型直升机、一个新版本或一项技术示范。

其最近的一项创新是概念演示飞机X3。它将用于可垂直起飞和降落并具备220 kts的巡航速度的高速混合动力直升机（H3）的概念论证。X3已于去年九月首飞。

X3配备两台涡轴式发动机，带动5桨叶主旋翼和两副螺旋桨，后者装在短翼展的固定机翼上。这种混合配置具备了全速飞行和完整的悬停飞行能力。它为长距离搜索和救援任务、海岸警队巡查和旅客运输等应用场合量身定制，其运营成本、续航时间以及任务成功直接取决于最大巡航速度。

关于Altair

Altair专注于仿真技术的开发和推广应用，通过综合和优化设计、流程及决策来改进业务性能。Altair目前为私人所有，在全球拥有2300多位员工，总部位于美国密歇根州TROY, 并在全球23个国家设立45个分支机构。今天，Altair已经为5000多家覆盖广泛行业的公司用户提供产品与服务。了解更多信息，请访问www.altair.com.cn