歐洲直升機公司應用仿真技術縮短研發周期并實現飛機閉合系統研發 流程自動化

    行業：航空航天

    挑戰：飛機的閉合系統是由多個零部 件組成的復雜系統。如何通過反 復設計分析流程虛擬評估設計 方案的性能與可靠性。

    Altair 解決方案：利 用 建模和可視化工具 HyperMesh 和 HyperView，快 速響應設計規范和負載變動并 進行修改。 同時借助 HyperWorks的定制功能進行批 處理網格劃分，具體分析和求解 模型組織過程的自動化。

    優點：統一的前后處理環境 ； 客戶定制化流程 ；提高模型質量和可靠性

    背景介紹 

     歐洲宇航防務集團（EADS）直屬的歐洲直升機公司集團（簡稱歐直公司）是全 球商用和軍用直升機開發商，同時它也參與歐洲空客飛機艙門與整流罩項目的開發。該公司于1992年由宇航馬特拉公司（法國）直升機分部和戴姆勒-克萊斯勒宇航公司（德國）組建而成。

    歐直公司的產品和服務涉及設計、生產、飛行試驗、持續適航、培訓、維修和質量等多個領域，主要目標是確保飛機飛行安全。歐直公司提供創新的產品以滿足來自 150多個國家的客戶的不同需求。

    在產品創新方面，歐直公司一直尋找方法來提高包括閉合系統等在內的飛機部件的性能和效率。為此，歐直公司選擇使用一流的軟件以確保飛機安全、改善飛機的性能以及定制艙門分析流程自動化。   

    挑戰 

    飛機的閉合系統是由多個零部件組成的復雜系統。無論是直升機還是其它類型的飛機，艙門都需要具有開門、關門和緊急情況下工作等功能。

    艙門系統是根據各個飛機尺寸和政府法規設計的，整個研發過程需要平衡不同的需求。閉合系統的設計不但要求可靠工作，而且需要進行輕量設計。另外，設計方案 必須充分滿足客戶的需求，甚至這些需求會發生變化。同時，還要保證產品研發過程與客戶項目的關鍵時間節點保持同步。

    一般來說，設計方案必須考慮結構可靠性、包裝、重量、加工性和成本要求。具 體來說，工程師使用與約束協調的目標評估艙門的結構和運動特性以考察艙門的使用壽命和緊急情況的安全性。歐直公司應用仿真工具通過反復設計分析流程虛擬地評估 設計方案的性能與可靠性。     

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    “HyperWorks根據我們的工作流程和具體研發環境量身定制，同時提供統一的前后處理環境，為縮短我們的CAE研發周期做出了重大貢獻。”

                                                                                                               MicheleMacchioni 

                                                                                                               歐直公司（德國）結構強度工程師                                                                                                            

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    解決方案

    加速研發

    艙門系統需要考察艙門本身及艙門與機身接口結構的性能。艙門由門框、梁和幫助提高艙門密封性能的門邊組件構成，接口結構由限位臂、導引臂和機身接口支撐臂構成。此外艙門系統還包括導輥和密封件等其它零件。

    研發部門首先完成基礎設計以達到客戶的要求，特別是材料類型和重量范圍。整個設計開始于一個獨立的艙門，然后根據客戶更加詳細的數據（如飛行載荷和機身規格等），進行艙門細化設計。對于不同零件的評估項目包括結構應力狀態以及屈曲和剛度穩定性。所有零件都必須滿足應力測試試驗，并提供艙門驗證報告。歐直公司具有一套包含密封、氣動和制 動負載在內的艙門整體性能分析的穩定性標準。此外，所有零件必須滿足屈曲、破壞和鉚釘屈曲等穩定性要求。部分零件還要滿足額外的剛度需求。例如，與機身的接口必須承受包括導輥、鉸鏈臂以及支架在內的艙門重量。限位臂必須能夠承受艙門作用到機身上（或機身作用到艙門上）的所有載荷。此外，還需要進行運動學分析。門框必須能夠承受艙門開啟時的動載，而動載的變化將引起接口所受載荷的變化并對結構造成一定的影響。因此要同步進行結構和運動學分析，以滿足 兩者的性能要求。

    靈活的仿真

    飛機艙門的整個評估過程在軟件中可表示為一個“優化”任務/循環。艙門系統定義為設計空間。優化的目標是減輕結構重量，但必須保證各個組件都要滿足設計要求。這些要求以約束的形式體現，如所選工況下的剛度和應力大小。同時也考慮最大殼厚度和材料類型等加工制造約束。這在系統優化或單一結構優化時是有效的。

    項目進程中，我們開發了三種有限元模型： （1）包含全部零件的整體有限元模型，它是由飛機生產商提供的簡化的模型； （2）中間有限元模型，主要用來評估工況，這些模型包含了更多的細節； （3）詳細有限元模型，用于強度分析和局部結構分析。根據組件的構成，我們為其定義連接單元和材料，然后選擇分析類型。利用Altair建模和可視化工具——HyperMesh和HyperView，能夠快速響應設計規范和負載變動并進行快速修改。傳統的前后處理工具無法實現這種快速響應。

    在產品研發流程中，HyperWorks能夠確保按時完成研發任務。同時HyperWorks還具備定制功能。比如，在艙門整 體系統創建過程中，應用HyperWorks的腳本語言進行批處理網格劃分，具體分析和求解模型組織過程的自動化。根據工作流程和研發環境量身定制的HyperWorks具有多個好處。通過創建專有數據庫，能夠更好地控制材料等模型參數。同時HyperWorks提供統一的前后處理環境。這些優勢為縮短CAE研發周期做出了重大貢獻。

    艙門支撐臂優化

    歐直公司的工程師團隊還包括優化專家，他們的工作是評估艙門和零部件的優化設計。一個典型的例子是仙童-道尼爾728型飛機艙門支撐臂設計。通過應用AltairOptiStruct拓撲優化技術，工程師們獲得20%的減重設計。工程師能夠在不進行多種CAD設計方案開發、評估和反復迭代情況下結合產品性能和設計目標完成概念設計。

    艙門鉸鏈最初設計由OptiStruct綜合艙門鎖定、緊急開門和敲擊三個工況給出的最大剛度方案。同時，優化過程中考慮了支撐臂的拔模約束，以便獲得一個可實際生產的結構。然后在滿足所有工況和最大許用應力狀態下優化肋結構的形狀和尺寸，進一步減輕結構重量。歐直公司在不降低艙門支撐臂剛度的情況下減少約20%的結構重量。此外，研發和驗證新型支撐臂結構的時間從三個月縮短至三個星期。歐直公司還將優化工具成功應用到其它項目中，如工程師進行了支線噴氣式飛機艙門限位支架和鉸鏈臂的仿真分析以及整個艙門系統的輕量優化設計。  

                                         

                  

    結論 

    歐直公司結構強度部門獲得的成果已經得到其它部門工程師的認可。事實上，歐直公司已開始向其它部門推廣這些最佳實踐，以實現整個公司工具和工作流程的一致化。通過HyperWorks開放的架構和靈活的腳本語言，歐直公司將大量重 復性工作自動化，大大降低了研發周期。他們還建立了模型創建的標準框架以保證模型質量和可靠性。

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