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MBSE—在复杂系统和结构要求之间寻求平衡

www.cechina.cn2021.09.01阅读 489


  今天的飞机研发比以往任何时候都要复杂,更优质、更可持续的产品被市场持续期待,机械系统电气系统电子系统和软件的相互集成需求又在不断增加,这导致了飞机结构中的线路急剧增多,在这种情况下,尽管飞机制造商尽可能地采用了重量更轻的新型材料,但减重的挑战性却依然存在。同时,飞机研发的规模和复杂程度导致企业更加依赖于世界各地的合作伙伴和供应商,这无疑提高了系统集成和认证领域的压力和风险,确保各方之间的持续沟通至关重要。
  很多情况下,这些沟通都通过静态的数字文件和电子邮件进行的;这种孤岛式的方法会严重影响、甚至危及整个项目的成败。整机级别的集成和装配问题通常要到制造和试飞阶段才显现,而那时已然为时太晚。要实现开发成本控制,必须从概念阶段便拥有飞机的完整视图。越早通过实现数字化转型来了解和处理集成的动态和基于模型的行为,效果就越明显。
  以数字化为基础的基于模型的方法
  以数字孪生和数字主线为基础的基于模型的系统工程 (MBSE)方法能够显著改进项目执行。这种方法可以打通信息孤岛,改进行为模型,实现密切协同,进而使得模型的定义方式、它们所代表的含义、以及它们使用定义明确的接口与相邻的系统或学科进行交互的行为,能够保持一致。
  航空航天工程师可以及早地进行对比权衡研究,基于对整机的洞见,更好地了解最优结构和系统架构控制工程网版权所有,进而做出更明智的选择,最终显著降低项目风险。
  多物理场仿真是对飞机子系统及其组件进行独立建模和将它们作为整机一部分进行建模的必要工具。这要求组件和参数以不同的形式或抽象级别呈现。

图1- 基于模型的系统工程(MBSE)和多物理场仿真覆盖整个开发流程

  结构仍然是系统的关键组成
  适航性仍然是飞机开发的重点,但日益增多的集成系统、电子设备和软件正不断改变动态特性控制工程网版权所有,使得按时、按预算完成认证面临更大的风险。随着飞机对系统控制的依赖度越来越高,用于传输数据的电线必须纳入整体系统的布局之中 – 它们不仅有重量、占空间,而且通常需要横穿机械结构。就结构域而言,这意味着需要了解线束的具体路由 – 要清楚是否需要穿过框架、圆材及其他结构,以连接至光源、控制面、甚至是新型电力推进系统的电源?系统与结构的结合使用,可能对飞行动态特性产生何种影响?
  这些问题在飞机投入生产之前就需要知晓答案。设计各方面的模型,如结构、机械和电气系统等,需要与多学科优化并行完成,这也表明仿真在飞机互联系统开发领域的重要性日益提高。利用稳健的多物理场仿真和测试功能,工程师可以对未来飞机各个元件的物理行为进行建模,获得洞见和了解,进而对结构开发、流体和热传导、系统开发、热量管理、客舱舒适度、电磁、验证、认证测试等方面进行优化。
  此外CONTROL ENGINEERING China版权所有,传统方法还限制了将多种运行工况纳入考量的能力。利用数字化基于模型的系统工程方法,原始设备制造商可以将范围远超物理测试的运行工况纳入考虑,实现虚拟集成飞机(VIA)策略。VIA是一整套以不同表示呈现的组件模型、数据和参数,随着开发周期的进展而不断演进。 良好的虚拟集成飞机平台允许工程师挑选子系统并以最符合应用程序的形式或规模对它们进行组合。

图2 – 配置虚拟集成飞机测试

  就基于模型的系统工程而言,这意味着明确产品定义www.cechina.cn,确保在开发过程中就可以针对飞行要求进行优化,而无需等到生产结束才对有限的变量进行调整。然后,执行VIA仿真,运行该等飞行特性,避免在试飞阶段才发现需要进行设计变更、进而导致额外增加数千小时飞行试验的风险。随着航空公司逐步转向城市飞行器和电动飞机等新型运输模式,虚拟试验的需求持续攀升。
  验证必须具备连续性
  开发流程的复杂化要求更多的团队的高度协同性控制工程网版权所有,任何特定设计变更的影响都举足轻重。例如,轻量化流程的前提是必需能够根据预期载荷,掌握一个机翼子装配件需要多少复合材料层,并在保证结构完整性的安全系数计算和飞机总重量之间寻求平衡。通过这一持续的验证过程,开发人员可能发现某个线束必需横穿某个支撑结构 – 不仅该线束捆需要穿过结构部件,而且还需要更大的线束连接器来为整条线路提供支撑。
  通过实施基于模型的系统工程方法,开发人员能够有效地探索和模拟备选设计。持续验证源自解决方案本身的数字化特性,即设计的可追溯性。由于完整的数字孪生贯穿整个设计流程,因而可依据产品定义对项目的每一次变更与更新进行跟踪。
  此外CONTROL ENGINEERING China版权所有,仿真还有助于降低认证(包括结构和系统认证)成本,并对策略和软件验证情景进行控制,如模型在环、软件在环、硬件在环和飞行员在环测试。将所有这些模型与待认证设计置于同一配置之中,这一点至关重要,为此,验证流程必须支持能够加快在受管理的环境中对数据集进行比较的方法,通过维持验证管理数字主线来保证可追溯性。
  随着新型飞机设计的创新速度持续加快,认证方面的挑战也将随之加剧。设计人员仍需要在飞机系统复杂度和结构设计要求之间寻求平衡。基于模型的方法覆盖电气和机械元件,打造整机的数字孪生模型,随着飞行需求的不断发展,多物理场仿真将在飞机实际起飞前提供深刻洞见,并完成设计的优化。
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