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仿真体系建设 任重而道远

2016/6/27    来源:e-works    作者:冯志杰  e-works郝秋红      
关键字:仿真技术  体系建设  
仿真已经成为企业产品研发过程的必备手段,虽然CAE仿真往往是在研制过程中被动的发挥作用,但是公司正在大力推进“基于模型的系统工程”,仿真分析正初步向“主动发挥作用,有效指导设计”迈进。

    中航工业航宇救生装备有限公司(简称:中航工业航宇)是我国唯一从事航空防护救生/空降空投装备研制的现代高科技企业,世界航空生命安全领域主要研发机构之一,隶属于中国航空工业集团公司,是中航工业机电系统板块主要成员单位之一。

    公司的仿真工作主要有:静力学、动力学、冲击动力学、疲劳、流固耦合、热固耦合、振动疲劳、多刚体运动等。在日常工作和人才培养的过程中,企业面临的主要困惑有以下几点:

  •     在产品研发过程中,仿真技术往往被动的发挥作用,对仿真在产品设计过程中的作用认识不清。
  •     人力资源严重不足。公司主要包括防护救生系统、空降空投系统、民机座椅与内饰系统三大类产品,每年在研和预研型号100多个,而仿真人员却只有8人;
  •     对仿真人员的能力要求高。仿真人员要对一项产品进行仿真分析,必须熟知产品的结构及产品的工作原理与工况,这对仿真人员的能力提出了更高的要求。
  •     CAE仿真人员承受的工作压力巨大。尤其是结构强度仿真人员,因为结构强度仿真的结果很快就会通过试验验证。试验时只要结构发生失效,其他部门首先想到的就是强度不足,但最终得到的结论基本上和强度没有关系。

让仿真技术主动发挥作用

    仿真已经成为企业产品研发过程的必备手段,仿真技术大大减少了试验验证次数,缩短了产品开发周期,降低了开发费用,提高了设计质量。但CAE仿真往往是在研制过程中被动的发挥作用,公司正在大力推进“基于模型的系统工程”,仿真分析正初步向“主动发挥作用,有效指导设计”迈进。

    图1-4为人-椅系统的动态仿真分析,人-椅系统主要由座椅框架、椅盆、吸能器等部分组成。当发生坠毁时,乘员和座椅具有一定坠撞速度,吸能器启动工作进行吸能,以减缓乘员和座椅可动部分运动,从而将坠毁时产生的冲击载荷对人体的影响控制在人体生理生理耐限的范围内。通过有限元计算分析座椅和假人的各项技术参数,从而对结构强度进行验证及优化。

图1 某工况下座椅最大应力图

图1 某工况下座椅最大应力图    图2 某工况冲击结束时座椅及假人位置图

图3 某工况下乘员腰椎载荷—时间曲线图

图3 某工况下乘员腰椎载荷—时间曲线图    图4 某工况吸能器Z向载荷—时间曲线图

    图5-6以垂直戽斗水流为研究对象,对水流在垂直戽斗管道的运动情况进行了仿真分析。戽斗为试验场进行大型有速度试验必须采用的刹车设备,为关键设备。戽斗在工作过程中,狭长水槽中的水进入戽斗,借助戽斗管道使流体改变方向,其过程符合冲量原理。当水流方向改变时由于水的黏性及重力的影响,戽斗前端及内部水流流场发生剧烈变化,从而造成戽斗不同部位水流压力也在不停变化,最终由戽斗壁板传递到质量车上;同时水流场也与戽斗型腔结构密切相关,水流撞击戽斗壁板后改变方向,引起后面的水流场发生变化,如此反复交替,这样作用在戽斗结构上的载荷是一个动态载荷,在动态载荷作用下,戽斗发生变形,这是一个非常复杂的过程。水流在戽斗管道中的流动规律一直是技术人员想搞清楚的,但限于技术条件无法详细了解。通过仿真技术手段,分析水流在垂直戽斗管道的运动形态、水流的流速变化以及对管道的压力,探讨水流在垂直戽斗管道中流动规律,为戽斗管道形式确定提供重要的依据。

图5 某工况下水流在管道的流动情况

图5 某工况下水流在管道的流动情况

图6 某工况下水压随时间变化情况

图6 某工况下水压随时间变化情况

建立科学的仿真应用体系,任重而道远

    除了具体的仿真工作以外,公司也开始重视仿真数据管理、仿真流程管理、多学科集成、仿真模板建设、仿真知识管理、仿真云计算平台、仿真软硬件资源管理。目前,公司已具有一定的仿真软硬件资源,完成了仿真数据管理和多学科集成,也通过企业标准的形式规范固化了部分仿真流程。但仍存在一些问题,如多学科集成的仿真平台没有发挥其真正的作用,就目前国内的大环境而言,单学科问题在企业都没有完全吃透,要真正做到多学科集成任重道远;仿真数据管理还不是很规范,究其原因是仿真数据的准确性缺乏相应的专家或手段来鉴定;部分仿真流程虽然已经形成企业标准,但是相关标准的贯标、执标以及监督标准执行的力度不够。

    公司应用比较成功的是仿真流程管理。2012年为了规范仿真流程,提高仿真的效率与精度,以企标的形式形成了近50个仿真流程的标准,标准针对不同的产品从几何模型的建立、有限元模型的建立、边界条件的设置等方面对仿真流程进行了规范。这些规范对年轻的仿真人员帮助非常大,极大地加快了他们的成长速度;同时这些仿真流程也让关注仿真分析的设计人员了解了仿真的过程,为今后相关产品的设计起到一定的指导作用。

    目前公司仿真应用体系的总框架基本建设完成,离科学的仿真应用体系还有十分遥远的路程。为了搭建一个科学的应用体系,企业将从以下几个方面进行推进:

    以“基于模型的系统工程”为契机,从需求出发梳理产品的功能,进而从产品的功能梳理出需要进行哪些仿真分析或配备哪些仿真分析软件,逐步完善仿真软件的谱系;

    进一步加大人才引进,从而缓解目前仿真人员极度匮乏的情况,力争做到仿真专业领域的细分,改变人人都是“全能平庸型”的局面,培育“专业精英型”的整体团队;

    进一步加大仿真流程的贯标、执标以及监督标准执行的力度,加强仿真模板的定制工作。

后记

    本文根据中航工业航宇救生装备有限公司强度室主任冯志杰先生的采访内容整理而成。冯主任从事航空防护救生、空降空投、民机座椅与内饰产品的仿真工作有10余年的时间。他认为,企业在深入应用仿真技术的过程中,仿真模板的建设是至关重要的,不仅能够提高整个公司的仿真能力而且能够提高公司产品研制的质量和进度。

责任编辑:郝秋红
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