Expleo 集團旗下的斯特林動力公司是一家快速壯大的先進工程公司，可為航空航天和海運市場提供各種復雜的系統和技術服務。自公司 1987 年創立以來，先后檢修過 70 多種不同類型的飛機并積累了豐富的經驗，交付的民用和軍用項目遍及全球。作為公認的飛機載荷、流體動力學及氣動彈性領域的領先專業廠家，斯特林動力公司已通過全球航空航天質量標準 AS9100 認證，并且是 ITAR（國際武器貿易條例）管制委員會的成員。

簡介

作為英國 NATEP（國家航空航天技術計劃）倡議的一部分，斯特林動力公司與 MSC軟件（英國）合作開發出一種用于飛機載荷的非線性氣動彈性工具包（參考文獻 1），并由最終用戶 BAE Systems 提供支持。通常會采用線性飛機模型來進行飛機載荷評估（例如陣風和機動載荷），但只將其視為一種可接受的分析手段，其中包括用非線性項改進建模精度和可靠性。通常只有那些定制開發出自有工具包的大型航空航天 OEM 廠家才擁有非線性氣動彈性解決方案。目前大多數飛機公司（兩家最大的 OEM 廠家除外）在進行處理時均基于線性假設，并已被認證機構認可作為飛機設計過程中生成陣風和機動載荷的合規手段。

由于通常認為線性模型過于保守，因此會使較小的 OEM 廠家處于不利地位。斯特林動力公司的項目目標是開發自己的內部工具包。與此同時，作為同一計劃的一部分，MSC 軟件（英國）的工具開發目的是開發商用產品。后面幾節將對 MSC 的開發工作進行詳細說明。

MSC 軟件協同仿真 CFD—FEA 組合

氣動彈性 CFD 機動工具包的主要特點在于它基于廣泛使用的 MSC Nastran 來進行有限元結構分析，采用 Cradle 的 scFLOW 處理計算流體動力學，輸入則由最終用戶 BAE Systems 提供。該工具可提高非線性氣動彈性效應的逼真度，這種效應會影響飛機在廣泛的實驗設計（DoE）設計空間中所承受的載荷。該工具考慮了來自飛機周圍的沖擊運動或氣流分離所產生的非線性空氣動力學效應，可改進在飛機機翼等柔性結構上進行載荷建模的準確性和簡便性。MSC 軟件提供了一個強大而可靠的商用計算流體力學和有限元分析解算器協同仿真工具包來實現這一目標。該工具包在很大程度上還實現了仿真過程的自動化。工具包包含許多新方法，可用于：

• 從多個 scFLOW 計算流體力學分析中提取氣動彈性載荷

• 將流體載荷應用到氣動彈性 MSC Nastran 模型上作為各種配平條件

• 將全部 6 個自由度（DOF）的空氣動力載荷耦合到結構有限元分析模型中

圖1：針對本研究的通用無人機模型（由 BAE Systems 公司提供）

圖2：工具包用戶界面中的通用無人機模型

圖3：進行非線性無人機形狀預測時工具包中顯示的機翼偏轉

通過與 BAE Systems 合作，為其創建了一個通用無人駕駛飛行器（UAV）演示項目，用來展示該工具（圖 1）。在工具包用戶界面中（圖 2），可將來自 scFLOW 的計算流體力學結果自動直接映射到 MSC Nastran 的有限元模型上，從而預測氣動彈性效應并實現可視化。

“

長期以來，斯特林公司始終致力于開發獨立的飛機設計工具。與 MSC 軟件和 BAE Systems 合作開展 NATEP 項目是一次絕佳的機會，讓我們能夠進一步增強自身實力并將這些新工具用于未來的飛機設計。

-Simon Hancock 博士，斯特林動力公司研發經理

”

總結

作為英國 NATEP（國家航空航天技術計劃）倡議的一部分，斯特林動力公司與 MSC 軟件（英國）合作、由最終用戶 BAE Systems 提供支持，現已開發出一種針對飛機載荷的非線性氣動彈性工具包，可用于其工程計劃。

同時，作為同一計劃中的一部分，MSC 軟件已利用其仿真工具開發出創新的非線性結構分析—計算流體力學解決方案，這樣可以進一步優化飛機的氣動彈性模型，提高仿真逼真度，從而減少流體—結構分析預測中的不確定性。

氣動彈性 CFD 機動工具包可降低飛機建模過程中的不確定性，從而提高所建立的 CAE 模型的準確性、避免飛機設計過于保守，并可減輕未來飛機的重量。輕型飛機的關鍵優勢在于燃油消耗低，因此可提高飛行的燃料效率，為飛機制造商和用戶節約大量成本；而由此導致的環境改善最終會讓所有的人受益。

基于通用無人機模型為英國的 BAE Systems 制作了一個工具包演示項目。該工具包對于新興及小型 OEM 飛機制造商很有價值，能有效地幫助他們滿足未來的飛機認證要求。

參考文獻

1.英國 NATEP 網站上的項目： http://www.natep.org.uk/projectdesign- modelling和http://www.natep.org.uk/documents/ADS%20Natep%20210%20x%20210%20Supplement%20v5.pdf