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CAE技术在国产大型客机C919强度分析中的应用与展望

2017/8/12    来源:e-works    作者:e-works整理      
关键字:CAE  C919  
飞机结构的强度设计离不开载荷,对于民用飞机而言,除了飞机载荷、地面载荷之外,还有一个载荷非常重要,往往会控制飞机部件的设计载荷,这就是飞机的动载荷。动载荷分析包括多体动力学、动力学、空气动力学等多学科内容。C919动载荷分析率先使用突风载荷气动模型建模与验证技术。

    2017年7月7日,国产工业软件优秀解决方案展示对接会(大连)成功举办,会上,国家“千人计划”专家、中国商飞上海设计研究院主任设计师李三平发表了题为《CAE技术在国产大型客机C919强度分析中的应用与展望》的演讲,本文为演讲内容整理,未经作者本人确认。

    一、关于中国商务飞机有限责任公司

    中国商务飞机有限责任公司简称中国商飞,是实施国家大型飞机重大专项,中大型客机项目的主体,成立于2008年5月,总部在上海。除在北京有一个研究中心以外,其他分支机构基本都在上海,其中主要包括负责客机研发工作的商科院,负责生产制造的上飞公司和负责售后服务的客服公司。

    目前中国商飞主要有三大产品,首先是已经投入运营的支线客机,90座;其次是C919线路中型干线飞机,航程在4000公里左右,基本覆盖国内干线航线的运营任务;再次是中俄联合研制的下一代宽体客机,航程在1万公里以上,飞国际航线。这三大产品在市场上的定位如果以汽车来类比,第一代是汽车中的QQ,C919是满大街跑的通用,宽体客机就是汽车里面最高端的奔驰、宝马。

    C919大概是什么意思?C是中国的首字母,它表现大型客机是国家意志和人民的期望,9取自中国传统文化天长地久的含义,1是中国商飞自主研发的第一个型号,很可能后面的型号叫929这样排下去。919客机今年5月刚刚首飞,截至6月底已经有24家客户,订单单位600架。

    二、中国商飞软件应用及难点

    民用飞机强度分析的内容及特点。强度专业承担飞机结构的强度分析和试验验证工作,保证飞机静动疲等特性满足强度要求,首先要保证结构安全性,在实现安全性条件下尽可能提高整架飞机的质量与性能。飞机结构过多不必要结构重量,在行内叫死重,飞机从出厂那一天开始要背着一直到飞机最后报废,平衡经济性和安全性最重要的指标就是强度分析,在保证强度满足要求基本前提下尽可能提高整机的经济性。

    CAE技术在强度应用方面的例子。首先介绍一下在飞机这个行当里面静力学分析是怎样开始的。我们会建立一些局部细节模型进行特定目标分析,最终形成两级模型分析体系。在原有两级模型基础上,加入具有中国商飞特点的精细网格模型,对内力模型计算结论进行考核和验证,可以得到整机非常详细的应力结果。

    因为整个机翼中断的强度基本上一致,所以在仿真的时候不仅要准确预测出数值,还要从非常相似的部位里面准确预报出破坏位置。到试验前一天,汇总各种模型和分析小组结果,第二天做精细模型能看到最后结果与试验模型高度一致。从分析结果可以看出,最多试验破坏系在机翼中段外侧。这个模型还没有引入单元破坏机制,现在只能预测出结构发展破坏的瞬间,还不能把结构最后实际当中破坏状态,整个过程没有办法模拟出来。第二个很遗憾的地方是预报出来的破坏载荷还是有点偏低,分析一下原因,结构的破坏在计算里面多数情况下表现在分析的发散,但是反过来说分析造成原因有很多,有可能是结构真实承载能力,也有可能模型当中数值问题,后者必须通过不断反复调试,必须计算结果逼近真实结果。遗憾的是一直到试验前一天晚上拿到这样的结果,进行一次分析要15个小时,一个星期下来也调不出几个结果,如果计算软件能够支持并行计算,效率还高一点,如果电脑快一点或者再多一、两个星期调试时间,也能够得出更加接近于实际的效果。

    飞机结构的强度设计离不开载荷,对于民用飞机而言,除了飞机载荷、地面载荷之外,还有一个载荷非常重要,往往会控制飞机部件的设计载荷,这就是飞机的动载荷。动载荷分析包括多体动力学、动力学、空气动力学等多学科内容。C919动载荷分析率先使用突风载荷气动模型建模与验证技术。

    三、中国商飞的需求

    中国商飞的需求。首先一个困难是重量控制问题,其次是新材料应用问题,如何能够更好发挥新材料的优势,另外是复合材料动力学分析,指的就是鸟撞分析,中国商飞的鸟撞团队是国内首屈一指的团队,即便如此对复合材料的鸟撞分析还缺少数据作为支撑,复合材料在生产过程中会产生大量缺陷。还有起落架和机体的设计,中国商飞发现最优的起落架未必装在机体一体形成最优的整体结构,为了解决上述问题,中国商飞迫切需要如下技术:一是精细化设计技术,这不仅仅是指机械化包括载荷分析,现有目标方法过于保守粗糙。复合材料的设计对最终工艺有着比较苛刻的要求,很多设计出来的东西未必能生产出来,另外不同工艺条件下生产出来的产品性能会有很大差异。实际上这是一个结构工艺制造一体化的话题,这个话题提出来早已不是新话题,但是中国商飞目前还没有找到任何可以实际用来指导实践的可应用技术;二是考虑成本的民机结构设计技术。当前设计更多是考虑结构强度本身,或者说是产品的成本没有进入到设计当中,这里的成本不仅仅是指材料成本,生产成本,甚至有可能包括飞机在使用过程中的维护和维修成本,简单的说就是全寿命周期的成本;三是将高性能计算资源引入到结构设计当中,以静力学为例,传统提到计算大家概念都是CID,动力学这些分析,没有人认为静力学需要高性能计算,其中主要瓶颈就是软件方面,静力学求解目前商用软件没有办法从高性能硬件计算中心得到,只能使用工作站,另外从硬件方面,计算对CPU要求不高,但是对内存要求极其高。这里我提出几个简单的指标,是5到10年之间我们需要解决的指标,以静力学为例,对于3亿自由度模型,需要速度提高20倍,动力学600万自由度的模型需要提高10倍,颤振方面千万量级需要提高10倍。

    四、中国商飞未来展望

    中国商飞未来重点发展的几项技术:一是精细化仿真引领精细化设计。飞机结构强度是多工况反复迭代的过程,中间有大量重复性劳动,中国商飞正在做强化自动化平台。另外,我们需要提出多尺度模型成熟度管理技术,在三级模型当中细节问题还要继续往下分,尤其是复合材料里中间损伤分析必须要用到,现在还需要模型配合起来使用,再就是模型指数必须引用起来。

    二是仿真数据管理技术,随着目前中国商飞技术逐渐走向成熟,在设计当中也遇到很多问题。很多单位使用的都是以报告为核心的技术管理体系,所有模型计算结果都是作为报告附件统一管理提高,这种管理方式在当今CAE应用不断提升的前提下是非常难以适应的,中国商飞提出应该以仿真模型为核心,构建仿真数据管理系统,在此基础上完成仿真流程管理,仿真项目管理,试验数据管理,分析报告管理等等综合平台形式提高团队综合实力。

责任编辑:张瑾
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