大飞机研制中CAE课件

大飞机研制中的CAE第一飞机设计研究院宁振波2008年6月8日内容1.从大飞机研制看CAE的需求2.DMU是CAE的基础3.CAE应用的层次和阶段4.CAE的现状5.大规模应用CAE需考虑的问题(案例)CompositeSolutionsAppliedThroughoutthe787(复合材料的广泛应用)CarbonlaminateCarbonsandwichFiberglassAluminumAluminum/steel/titaniumpylonsComposites

50%Aluminum

20%Titanium

15%Steel10%Other5%0787客机美日意三国分工情况A400EuropeanMilitaryAircraftWindtunneltestingA380主要部件的制造国家45,38m11,9m27,35m11,68mA380TransportsystemBoeingShowsOffDigitalAssemblyLine787总装配线数字化仿真！大型整体结构件的加工与成形A380飞机的翼肋现代飞机的主要承力构件，如梁、框、肋和大型壁板等都是整体结构件。高速切削，在简化工装的支持下以低切削力加工复杂薄壁的几何曲面A400M,Centrewingboxcrownfitting,January2006T5X波音大件加工热处理与化学铣削单元(激光焊接)LBW(激光焊接)LBW(激光焊接)LBW磨擦搅拌焊接(FSW)磨擦搅拌焊接概念Lasermask

cuttingMeans-1NCmachineforlasermask

cutting(before

Chemical

milling)laserTravelX:50.000mmTravelY:6.000mmTravelZ:1.500mmMax.Velocityx,y,z:

30m/minPositioningAccuracy:

0.04mmLaser150/250WBoeingWichita应用柔性工装进行精确加工技术---简化装配工作！蒙皮壁板自动化加工单元Shiftinparadigm-airframestobemade

ofcompositematerialinsteadofaluminumMillingmachinesTapelayermachinesSource:

AluminumComposite复合材料的发动机短舱thefirstcompletefuselageWiththefirstcompletefuselagebarrelgoingtoGetafe,fourmoreA400MfuselagesareinseriesproductionattheIntegratedFuselageAssemblyfacility(IFA)inBremenandarecurrentlybeingequippedbeforedeliverytotheFAL.

Thefuselagebarrelswillbedeliveredcompletewithinternalsystemsaswellastheircargorampsandreardoors.TheywillconstitutethelargestAirbusstructuresyetcarriedbytheBelugaaircraft.

A400MFuselageandramp,Bremen,Germany,February2007A400M的复材后舱门制造过程Thecompletedouterplatelayup.NotethepatternofbuildupsatthelocationsofthestiffeningstringersandcrossbeamsAtechnicianlaysuptheouterplateskininafemalecompositetool,usingdrymultiaxialandunidirectionalcarbonfiberreinforcementsDemouldingfirstcompositewingcover,January2006内容1.从大飞机研制看CAE的需求2.DMU是CAE的基础3.CAE应用的层次和阶段4.CAE的现状5.大规模应用CAE需考虑的问题(案例)数字样机锻造仿真Procast仿真加工Vericut焊接仿真Weld数控加工DNC钣金成型仿真DYNAFORM复材设计分析ESA跨企业协同系统产品数据管理ENOVIALCA需求管理总体协同设计PERA样机设计CATIA系统优化设计Isight工程分析MSC系列气动设计CFX等工装设计和制造CATIA工艺设计CAPPFRAMEWORK工艺仿真Delmia多项目管理生产管控生产资源管理ERP制造执行MES电子手册系统产品研制基础工作第一阶段第二阶段第三阶段DMU为基础的CAE应用(DMU的可用性)

在F-35飞机的数字化虚拟产品开发创新工程中，多方开发、集成了一些设计、分析、试验及制造工程的先进软件工具，包括设计/仿真集成、多学科概念设计、分析知识工程（analysisknowledgeengineering）、CAE数据管理。虚拟开发环境已用于模拟飞机设计、试验、保障和制造的每个方面，以便在硬件制造之前对设计进行改进优化，对功能、性能进行验证。

飞机的DMU建成后，可以利用人机工程软件来生成人体模型，用来预估人与飞机的互动状况（人机工学结构）；虚拟模特被用来测试和优化飞机驾驶舱和客舱的人机工学性能。使用DMU后，工程师可以虚拟测试客舱内部使用的材料：装饰墙纸、金属、细木工家具、地毯以及皮革制品等。

波音787项目高级副总裁迈克·拜尔(MikeBair)指出：“在767项目中，我们曾对50多种不同的机翼配置进行过风洞测试。而在787项目中，只测试了10多种。”波音借助现代化CFD工具，设计人员能够对飞机外形DMU进行各种虚拟试验，使设计的可信度比过去大大提高，从而减少了测试次数。因此设计人员只需对确实有实际应用前景的设计方案进行风洞测试。

有限元分析方法已成为复杂几何形状结构的应力、应变和位移场预测的日常手段。优良的图形界面极大地改善了数据文件的前后置处理，自动网格生成、网格细化和自适应网格再生成,显著地提高了有限元模型的发展和分析的效率以及数值求解的精度，后置处理的算法和图形界面有效地提高了分析人员解释应力分析结果的能力。但有关新材料、新工艺的计算发展和扩展以及飞行器寿命的精确预测、智能化的基于仿真的设计（完整地模拟飞机的整个寿命过程）等方面尚有待完善。

内容1.从大飞机研制看CAE的需求2.DMU是CAE的基础3.CAE应用的层次和阶段4.CAE的现状5.大规模应用CAE需考虑的问题(案例)覆盖全球的产品数字化网络研制系统

实例：波音公司数字化网络系统应用及其发展737-X747757767777C17DCAC/MRM系统……全球协同网络环境GCECATIA,DELMIA,ENOVIA,SMARTEAM集成系统787现有机型的覆盖全球的数字化网络系统研制新机型的数字化网络协同框架1995年～2005年，10亿美元2004年～

在飞机研制过程的每个阶段中，CAE技术可广泛应用于飞机全产品中各类零部件、组件、全机的设计、分析、试验、仿真、测试和故障诊断、制造和维护。如：CFD气动力分析、CAE结构强度分析、各类机电系统试验仿真、运动机构仿真、数控加工仿真、维护维修的人体仿真、地面虚拟测试等。虚拟加工分析工具可对DMU进行“可加工性”评价，可分析切削、钣金、锻铸造工艺对产品质量的影响（残余应力、回弹、温度场、流场等）。通过计算机上的CAE分析和虚拟试验可以指导、简化、减少或替代部分实物试验，从根本上说，是要解决计算的结构模型和分析是否正确，是否反映真实结构特性的问题。这必须通过大量科学的验证试验并形成数据库、模型库,从而改进并保证结构设计、分析的正确性。在这点上必须更新现有的观念，结构试验应是从少到多再到少。TestAnalysisPDM产品数据管理需求分析方案设计工程设计虚拟样机工程测试加工制造装配调试物理样机工程测试产品交付维护管理产品退役SDM仿真数据管理仿真工具：ICEM－CFDFluentCFXFlowmasterEDEMMPCCIOptimusInfolyticaREMCOM……TDM试验数据管理数据管理资源管理综合信息管理项目规划调度管理数据采集监控数据质量控制试验报告管理……MRO及供应链管理维修管理维护管理大修管理库存管理航线维护车间维护航材管理工程支援……实现PLM产品全生命周期流程管理内容1.从大飞机研制看CAE的需求2.DMU是CAE的基础3.CAE应用的层次和阶段4.CAE的现状5.大规模应用CAE需考虑的问题(案例))串行模式并行模式装配设计数字化条件下工作模式的变革(多学科协同)气动设计分析流程CAD模型设计变量生成设计网格气动设计气动分析目标优化方案优化软件：CATIA功能：模型参数化和驱动软件：

IcemCFD功能：结构外形网格生成软件：

NUMECA功能：非结构网格流场分析软件：复杂流场计算包功能：CFD并行计算

FLUENT流场计算

VSAERO低速气动

MGAERO构型欧拉特型

TRIP湍流计算

ICE结冰模拟

TRIP操纵面飞推综合计算软件：iSight功能：多学科综合分析

和方案集成优化约束条件结构设计弹性气动力及载荷计算静力、动力、颤振分析气动弹性分析结构多约束、多学科综合优化方案优化结构强度设计分析流程软件：MSC、ANSYS、Caesam、SYSPLY功能：静力学分析、疲劳裂纹分析、动力学分析、MSC分析集成、强度分析计算平台、复合材料分析软件：FlightLoad、AS/Eluoad

FASTRAN功能：飞行载荷和气弹分析、静气动弹性设计分析

非定常气动力分析软件：iSight功能：多学科综合分析和方案集成优化软件：CATIA、LMS、RAMSIS功能：结构设计，综合分析、人体建模分析软件：AS/Eload、Zaero功能：静气弹修正和外形构造载荷分析虚拟产品开发结构(强度、振动、优化)

CFD(空气动力、冷却、喷燃、环控)

安全性(鸟撞、救生等)

振动噪音舒适性耐久性(疲劳断裂)

运动学及动力学(操稳性、传动、控制、台架)

制造工艺(钣金、复材、锻造、铸造、热处理、焊接)

航空电子电气系统环境(大气、热、腐蚀)

材料数据信息系统虚拟样机的性能仿真与虚拟试验(CAE/CAM/CAT)多学科分析与性能仿真应用现状

CFD(气动,冷却,喷烧,环控)结构(强度,振动,优化)安全性(损伤,鸟撞,弹射救生,空投,空降)耐久性(疲劳,断裂)运动学及动力学(操稳,传动,控制,台架)声学,振动,噪音,舒适性制造工艺(机加,钣金,锻,铸造,热处理,焊接)航空电子电气系统环境(大气,热,腐蚀)材料数据系统40%30%10%10%10%5%20%内容1.从大飞机研制看CAE的需求2.DMU是CAE的基础3.CAE应用的层次和阶段4.CAE的现状5.大规模应用CAE需考虑的问题(案例)

应用CAD软件，制造者能创建产品的3D模型并在制造前进行一系列的虚拟分析和测试，如强度，颤震，噪声和碰撞测试。应用数字化制造软件，通过过程仿真软件,能够探索那些零件或者部件如何被加工.但不同CAD软件间广泛存在的兼容性问题，为A380带来了灾难。

Airbus自己估算，A380延迟和随后导致的计划变更导致约60亿美元的损失。问题在于A380的设计工程师使用的设计软件的兼容性问题。德国设计飞机后机身部分连同主舱内几百英里供电线路的工程师采用CATIAV4，而法国Toulouse的装配工程师使用的是CATIAV5。当第一批线缆，包括从照明到座舱娱乐系统的大批预先配置好的供电线缆，运到总装厂时，它们在前机身到后机身的安装不完全匹配。工人们试图靠手工把不匹配的线束分拆开，完成机身的布线，但是面对每架飞机上约300英里的线缆和40300个连接器，问题的艰巨程度显而易见。当CAD设计文件在不同版本的CAD软件间转换时，发生了难以想象的错误，问题就这样发生了。

除了A380遇到的配线的问题之外，Airbus在2006年二月份又遇到了另外的挫折，在一次强度试验中，这个550座的巨大的飞机机翼出现了断裂。在进行生产之前，应用分析仿真软件做过应力仿真并得到了可能失效的位置。但是在二月进行的测试的最后一个阶段，翼尖偏离正常位置超出24英尺时，两个发动机之间的机翼部位发生断裂。但是他们没有提供更多的有关为什么通过应力仿真还是没能阻止断裂出现的信息.空客和波音两家公司在详细设计过程中都应用了DMU，但波音从早期的777应用虚拟装配到后来737NG飞机的DMU样机的反复迭代，一直都是小心翼翼的、循环渐进的应用DMU样机技术，形成了丰富的应用经验。然而，在空客，新组