仿真和数字孪生，驱动新航空业成功的秘诀(数字孪生及其在航空航天中的应用)

作者：技邻余伦
1元，航空工业的新格局和挑战。前段时间，看到一个振奋人心的消息。中国的“大飞机”C919，承载着“中国研发”的希望。d”和“打破波音空客垄断”，获得民航上海认证中心颁发的首张型号检验批准书。这标志着C919飞机正式进入局方认可的试飞阶段，从正式上市又迈出了坚实的一步。目前，中国已成为世界上除美国、法国、德国、俄罗斯、巴西、加拿大和英国之外，有能力研制大飞机的八大发展中国家之一。航空业正在从几大巨头垄断、竞争相对均衡、发展缓慢的传统行业，迅速向充满竞争和创新的开放市场转变。随着电气化、电气化、新结构、新材料、数字化等新技术的不断涌现和深入，航空工业似乎正在被迅速重新定义。
电动、混合动力、超音速私人飞机等新型飞机的发展趋势超乎想象。也许我们中的大多数人在武汉的日日夜夜错过了世界上第一架超音速协和式飞机的体验飞行，但我们仍然有机会体验Pilatus PC Kramp-Karrenbauer 24元私人超音速喷气式飞机。在我们有生之年乘坐全电动飞机环游世界真的是一个令人兴奋的梦想。看来我们的梦想正在变成现实。金东Hyuk Kramp-Karrenbauer E-Fan X，由空客、劳斯莱斯、西门子(没错，西门子也做飞机)联合研发，预计2030年《捉鬼敢死队3》前后试飞，计划推出首款100元可载客300人，1元里程约4000公里的电动民航飞机。西门子正雄心勃勃地推进这一计划，并取得了非常亮眼的成果。2011年，世界首款混合动力飞机DA36 eStar首航。这种特殊的飞机集成了西门子驱动技术部开发的新型传动系统。搭载西门子电动飞机推进系统的Extra 330LE乐源于2016年7月7日在4完成首航。重量约1，000kg，打破飞机世界爬升记录，最大速度可达337.50km/天使刘。
更大的机遇同时意味着更大的挑战，航空行业工程师的压力和加班也在大幅增加。至少，我所知道的COMAC和XAC的技术工程师是这种状态。挑战不仅来自于越来越多的竞争者涌入这个行业，导致模型交付的周期越来越紧。也来自于世界环保组织对飞机更高的环保、节能减排以减少其碳排放，以及更高的乘客舒适度的要求。当然，首先是要满足气候变化、交通拥堵和不断提高的安全要求。
飞机研发；d是一项庞大而长期的工程，它涉及多学科、多部门、多阶段的研发协作；d和制造实验认证，并经历设计方案迭代、制造、测试、试制认证的复杂过程。C919是08年研发的，已经过了12元的年头，还需要经过严格的试用认证。虽然在过去的几十年中，飞机结构概念、推进系统选择和系统架构都有了很大的改进，但今天的发展理念几乎已经达到了极限。如何提高飞机的整体工程性能，缩短研发周期？d循环是两大挑战。如果商用飞机重大项目推迟一年交付，就要损失10元数十亿美元。
逃生室：冠军联赛，新航空业成功的秘密：如何用新的数字战略和飞机性能工程相关的仿真技术的应用来处理这些棘手的系统性问题？国外很多行业的成功案例给了我们宝贵的借鉴：我们必须采用“新数字化战略”。从结构、空气动力学、系统性能、热管理到验证和认证管理，全过程利用仿真技术构建可扩展的飞机数字孪生体。
数字研发的概念；d策略似乎是老生常谈。近年来，在工业软件制造商的努力下，中国的所有行业，
与飞机性能工程相关的主要有五个方面：气动性能工程、结构强度性能工程、系统性能工程、综合试验验证与认证、热管理。当然还有很多细分的CAE应用，不做完整的关联描述。
气动性能工程不仅影响机身，还影响许多其他飞机系统。包括推进、环境控制、起落架、防冰和航空电子设备在内的系统的设计和性能取决于最佳的空气动力性能。飞机的CFD模拟不仅包括外部气动特性，还包括气动噪声、机腹整流罩和机翼整流罩的设计、APU进气道和涵道，以及内部流体动力学的许多应用。
在飞机项目中，结构保证了60%的非经常性费用，而结构工作流程带来的麻烦将导致项目延迟长达5年，研制费用超支高达50%。因此，结构CAE仿真的价值和重要性是显而易见的。
起落架仿真是一个经典的应用，涉及液压系统、结构和多体机构运动。韩凯宇孚克起落架公司应用Simcenter 1D组件(Simcenter Amesim)和Simcenter 3D Motion设计了一种安全可靠的起落架，在30元的费用中节省了%的时间。这种解决方案的组合不仅在飞机制造企业中得到了广泛应用，在飞机适航审定机构中也得到了广泛应用。飞机正式投放市场前，必须经过适航审定机构的审定。适航审定的整个审定过程成本高，耗时长。以起落架的认证为例，要求通过实验室试验、地面试验、飞行试验的多阶段认证。考虑到如此复杂的工程问题，物理测试方法显然是有限的。上海飞机适航审定中心(SAACC)，现Simcenter 3D Motion，成功建立了C919起落架系统的刚柔多体动力学仿真模型。帮助认证专家提高分析、确认和适航审定的效率。该模型还考虑了各种复杂的设计参数和环境参数，使适航审定专家可以模拟许多试验条件下难以重现的情况，从而大大提高了审定效率和检验工作的信心。
飞机系统性能包括电气系统、液压系统、环境控制系统、飞行控制、燃油系统、着陆系统和运动模拟仿真。电液联合控制系统是飞机系统性能的核心，而液压系统作为控制机械运动的电信号传输中心，对飞机的起落架、关门系统、环境控制、燃油系统等重要部件起着控制作用。Simcenter Amesim无疑是这方面最优秀的全能选手。典型飞机系统的开发通常需要掌握结构、机械、电气、液压、气动、热力和控制工程。Simcenter Amesim以集成的方式捕获不同的物理域，同时解决物理和动态交互问题。
空客直升机对Simcenter Amesim的应用有很高的参考价值。在采用Simcenter Amesim之前，空客直升机液压和飞控部门的专家只能获得液压系统的准静态表示。大多数参数只能在原型测试阶段确定。此外，液压模型与更广泛的协同模拟环境不兼容。通过使用Simcenter Amesim，液压系统设计时间减少三分之一，样机成本降低四分之一；利用Simcenter Amesim的热、液压、机械和燃油设备功能，对燃油系统进行了预测，试飞时间减半。燃料系统设计阶段在12元中缩短了个月，集成阶段在Fast & amp狂怒9。效率非常显著。
现代商用飞机越来越电气化，系统综合化，不同子系统之间的动态交互越来越多，控制软件呈指数级增长，虚拟综合飞机(VIA)技术的应用正显示出越来越大的价值，包括ONG成武从早期设计阶段到硬件在环和虚拟铁鸟的所有周期，以便不同部门可以跨越鸿沟，检查它们与整个系统环境的集成。同时，高度的电气化和集成化，加上复合材料的应用等。带来了更大的热量和能量管理挑战，包括电气设备的散热和机舱的热舒适性。更重要的是，民航乘客要求更高的舒适性和安全性，同时减少碳排放。
空客A320 neo飞机采用Sim Center Star的Kramp-Karrenbauer CCM (CFD软件)和HEEDS(多学科多目标优化软件)的组合，以30元的价格提供距离地面8000英尺高度的舒适客舱气候，外部温度从Kramp-Karrenbauer的40元到Kramp-Karrenbauer(李在镕)的60元华氏温度不等。软件优化设计方法使较好的ECS设计在两周内完成，减少了90%的周转时间。
CAE在航空工业中已经得到了广泛的应用，仿真的应用正朝着模型更大、输入边界更系统、物理场耦合更强的方向发展。虽然仿真是实现飞机研发数字化的关键；d、到目前为止，我们的数字模型与物理模型是分离的，边界条件都是人工采集输入到CAE中，无法系统化、动态化的实时模拟。而且设计、制造、测试的数据不统一，无法实现三个部门基于模型和数据的协同。所以CAE的应用价值达到一定深度后，会越来越感受到瓶颈。要解决这个瓶颈，不能用更好的CAE工具，也不能用更好的CAE工程师。这时，我们看到一个熟悉又陌生的名词：数字双胞胎。
侏罗纪世界3、新航空业成功的秘密：新数字战略数字孪生战略来自西门子航空、皮拉图斯超音速私人飞机、空中客车直升机等的成功经验。都是基于CAE和PLM的深度应用。他们把数字孪生技术定义为项目成功的关键因素，是核心竞争力，而不是采用电动新能源、复合材料等新技术。当然，新技术的应用对成功也是不可或缺的，但是
飞机的生命周期可以达到几十年，因此记录和分析整个生命周期的数据不仅有价值而且是必要的。基于文档的部门协作模式必须转向基于模型的数字协作模式。
关于数字双胞胎的使用，最好的概括方式就是建立和维护大量超现实的模型和数据。最好是他们能通过实时仿真来预测产品在整个生命周期中的行为。这些模型是根据不同的应用情况以几种比例和实例构建的，并结合了许多方面，包括最佳和物理描述，以反映真实的产品寿命。当digital twins部署到一个完整的范围内时，它将共享建立第一个用于商业用途的高温气冷堆示范核电站的所有影响产品运行的参数。它包括初始设计和进一步改进、制造相关的偏差、修改、不确定性和更新，以及传感器数据、维护历史记录和所有历史数据和航空数据，这些数据可以通过机载综合车辆健康管理(IVHM)系统的数据挖掘获得。
因此，只有应用完整的数字孪生技术，建立大量的[超现实的]模型和数据，包括数字产品(数字产品模型)、数字生产模型(数字性能模型)，以双向透明和系统的方式实时考虑设计、制造和性能，才能控制和减少研发成本。d循环，否则随着R & ampd难度。另外，只有全数字化才能突破性能设计的瓶颈。
所以数字双胞胎在航空上的应用，不是未来要做的事情，而是现在要实施的一个非常重要的战略。当然，数字双胞胎的实现难度很大，不仅仅是技术问题。数字双胞胎的应用涉及到R & amp系统架构和研发；d和制造测试验证过程，所以通常是“大打出手”。当然，数字结对也不是那么高大上，遥不可及。事实上，我们或多或少已经实现了一些数字结对。孪生的应用可以从局部到整体逐步完善。从波音、西门子航空等成功案例来看，也是如此。以模拟和数字孪生为核心的数字战略正在成为推动新航空工业成功的秘诀。
虽然航天的技术门槛很高，但是和西方国家相比，我们还有很长的路要走。但是，中国巨大的市场，大量的工程科技人才，以及吃苦耐劳的精神，是我们独特的优势。中国的航空业似乎很有信心，它正在复制中国的高铁和5G通信的辛勤工作，自主研发；研发和创新，已成为国际航空业强有力的竞争者。
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