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仿真和数字孪生,驱动新航空业成功的秘诀

2020-12-22虞伦

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从波音、西门子航空等成功案例的观点来看,以仿真和数字孪生为核心的数字化策略,正在成为驱动新航空业成功的秘诀。

一、航空业的新格局和挑战

    前段时间看到一篇令人振奋的新闻,承载着“中国研发”和“打破波音空客垄断”希望的中国“大飞机”C919,获得了民航上海审定中心颁发的首个型号检查核准书,这标志着C919飞机正式进入局方审定试飞阶段,离正式投入市场又跨进了坚实的一步。中国目前已成为除了美国、法国、德国、俄罗斯、巴西、加拿大、英国之外,世界上有能力研制大型飞机八大研制国之一。航空界正在从之前的由几家巨头垄断,竞争相对平衡、发展相对缓慢的传统行业,快速地向充满竞争和创新的开放市场转变。电动化、电气化、新结构、新材料、数字化等新技术的不断涌现和深入,航空业看起来正在被快速重新定义。

    纯电动、混合动力、超音速私人飞机等新型飞机的发展趋势超出想象,或许我们大部分人都错过了世界上第一架超音速协和式飞机的体验飞行,但我们还有机会体验皮拉图斯PC-24私人超音速飞机。如果能在有生之年乘坐纯电动飞机环游世界,那真是个令人激动的梦想,看起来我们的梦想正在变成现实。由空客、罗尔斯罗伊斯和西门子(对的,西门子也造飞机)联合开发的E-Fan X预计于2020年左右试飞,并计划在2030年推出的第一架可以搭乘100名乘客、里程可以达到大约1,000公里的第一架电动民航飞机。西门子正在雄心勃勃地推动这一计划,并且已经取得了非常亮眼的成绩。2011年,世界上第一架混合动力飞机DA36 eStar首航,这架特别的飞机就是集成了西门子驱动技术部开发的全新传动系统。配有西门子电动飞机推进系统的Extra 330LE于2016年7月4日在德国丁斯拉肯市完成首航。重量约为1,000千克,打破了飞机的世界爬升记录,最高速度可达337.50km/h。

第一架混合动力飞机DA36 eStar首航

    更大的机遇同时意味着更大的挑战,航空业的工程师们的压力和加班也在大幅增长,至少我了解到的商飞和西飞的技术工程师正处在这种状态。挑战不仅来自于越来越多的竞争对手涌入这个业界,导致机型交付的周期越来越紧张。还来自于世界环保组织对飞机更高的环保节能减排降低其碳排放量要求的要求,和更高的乘客舒适度的要求。当然第一位的是要满足气候变化、交通堵塞以及不断提高的安全需求。

    飞机的研发是一个庞大且长周期的大工程,并且涉及到多学科、多部门、研发&制造&实验&认证多阶段协同,经历设计方案迭代、制造、试验、试航认证的复杂的过程。C919是从2008年开始研发的,已经过了12年,还进一步要经过严格的试航认定。虽然在过去的几十年里,飞机结构概念、推动系统选择和系统架构都得到了很大的提升,但如今的开发概念几乎已经达到极限。如何提高飞机的整体工程性能、缩短研发周期是两个巨大的挑战。重大商用飞机项目的交付如果延误一年,就会产生10亿美元的资金消耗。

二、新航空业成功的秘诀:新的数字化策略

--和飞机的性能工程相关的仿真技术应用

    如何应对这些棘手并且系统性的难题,国外的诸多行业成功案例给了我们很有价值的参考:必须采用“新的数字化策略”。从结构、空气动力学、系统性能、热管理到验证和认证管理,全过程使用仿真技术、构建可扩展的飞机数字孪生。

    数字化研发策略这个概念看起来已经是老生常谈,近10年在工业软件厂商的努力下,中国的各个行业包括航空航天行业,都对CAE、PLM、数字孪生的概念已经“相当”熟悉,但是我们对数字化研发应用的深度如何、广度如何、收获的价值如何,个人认为我们还有相当大的提升空间。

数字化研发策略

    和飞机性能工程相关的气动性能工程、结构强度性能工程、系统性能工程、集成测试验证和认证、热管理五个主要方面,当然还有很多细分的CAE应用,不做完整相关性描述。

    空气动力性能工程不仅影响机身,而且影响许多其他飞机系统。包括推进、环境控制、起落架、冰保护和航空电子设备在内的系统的设计和性能取决于最佳空气动力学性能。飞机的CFD仿真不仅包括外部空气动力特性,还包括空气动力噪声、腹部整流罩和翼体整流罩设计、APU进气道和导管以及内部流体动力学的多种应用。

空气动力性能工程影响飞机机身及多个系统

    在飞机项目中,结构保证了非经常性成本的60%,而结构工作流带来的麻烦会导致项目延迟长达5年,开发超支成本高达50%。所以结构的CAE仿真的价值和重要性显而易见。

    起落架仿真是一个经典的应用,涉及到液压系统、结构、多体机构运动。吉凯恩航宇福克起落架公司应用Simcenter的1D组件(Simcenter Amesim)和3D组件(Simcenter 3D Motion)设计安全可靠的起落架,实现了30%的时间节省。这个解决方案的组合不仅在飞机制造企业得到广泛应用,在飞机适航性认证机构也有成功应用案例。飞机在正式投放市场之前,必须经过飞机适航性认证机构的认证,适航性认证整个认证过程成本高昂且十分耗时。以起落架的认证为例,要求通过实验室试验、地面试验和飞行试验多阶段认证,考虑到如此复杂的工程问题,物理测试方法明显受限。上海航空器适航审定中心(SAACC)即现在的Simcenter 3D Motion成功确立了C919起落架系统的刚柔多体动力学仿真模型。帮助认证专家改进分析确认和适航审定效率。该模型还考虑了各种复杂设计参数和环境参数,使得适航审定专家能够模拟很多试验条件下难以重现的情况,从而大幅改进检验工作的认证效率和信心。

使用Simcenter 3D 建立的参数化起落架仿真模型

    飞机的系统性能包括电气系统、液压系统、环境控制系统、飞行控制、燃料系统、着陆系统、运动模拟的仿真,机电液联合控制系统是飞机系统性能的核心,液压系统作为电气信号控制机械运动的传递中枢,在飞机的起落架、舱门闭合系统、环境控制、燃料系统等各个重要部件系统中起控制作用,Simcenter Amesim在这方面无疑是不二的全能型选手。开发典型飞机系统通常需要掌握结构、机械、电气、液压、气动、热和控制工程学。Simcenter Amesim以一种集成方式捕获不同物理域,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,空客直升机的液压和飞行控制部门专家只能获得液压系统的准静态表示。绝大部分参数只能在原型测试阶段决定。此外,液压模型与更广泛的协同仿真环境无法兼容。通过使用Simcenter Amesim将液压系统设计时间减少三分之一,将原型成本减少四分之一;使用Simcenter Amesim的热、液压、机械和燃料设备功能,预测燃料系统,实现了飞行测试时间减半;将燃料系统设计阶段缩短12个月,将集成阶段缩短9个月,效率非常显著。

    现代的商用飞机越来越电气化,系统集成化,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,虚拟集成飞机(VIA)技术的应用越来越呈现价值,包括从设计早期到硬件在环和虚拟铁鸟的所有V循环,使得不同部门可以跨越鸿沟并检查自身与整个系统环境的集成情况。同时,高度的电气化和集成化,和复合材料等结合应用,带来了更大的热量与能源管理挑战,包括电气设备的散热、机舱的热舒适度。更重要的是,民航乘客要求更高的舒适度和安全性,同时还要降低碳排放量。

    空客A320 neo飞机利用Simcenter STAR-CCM+(CFD软件)、HEEDS(多学科多目标优化软件)联合,实现在远离地面30,000英尺的高空,外部温度为-40度到-60华氏度(F)的情况下提供舒适的内舱气候。软件寻优设计方法使得两周内完成了更好的ECS设计,减少了90%的周转时间。

空客ECS团队将仿真用于驾驶舱、航空电子、导管和内舱热舒适度

    CAE仿真在航空业的应用已经有相当普遍,仿真的应用朝着更大的模型、更系统的输入边界、更多的物理场耦合迈进。虽然仿真是实现飞机研发数字化的关键,但是到此为止,我们的数字模型和物理模型还是脱离的,通过人工采集边界条件输入到CAE,所以并不能系统完整实时动态地进行仿真。而且设计、制造、测试三个环节的数据不是统一的,所以并不能做到三个部门之间,基于模型和数据的协作,所以CAE的应用价值进行到一定深度后,会越来越感觉到瓶颈,解决这个瓶颈并不能通过用更好的CAE工具或更好的CAE工程师,这时我们看到了一个既熟悉又陌生的名词:数字孪生。

三、新航空业成功的秘诀:新的数字化策略

--数字孪生战略

    从西门子航空、皮拉图斯超音速私人飞机、空客直升机等成功经验来看,无一不是基于数字孪生的基础上,对CAE和PLM的深度应用,他们把数字孪生技术定义为取得项目成功的最关键要素,是核心竞争力,而非采用了电动新能源、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,但最重要的是“软件”层面。

    飞机的使用生命周期可以达到几十年,所以把整个生命周期的数据进行记录、分析不仅仅是很有价值的,而是必须的。基于文档的部门协作模式,必须转向基于模型的、数字孪生的数字化协作模式。

    关于使用数字孪生,最好的概括方式就是构建和维护大量超现实模型和数据,它们最好能通过实时仿真预测整个生命周期内的产品行为。这些模型根据不同应用情况分几种比例和实例构建,融合多个方面,包含最佳和物理描述,镜像真实产品寿命。当数字孪生部署到完整范围时,它会跟踪影响产品运作的所有参数信息。其中包含初始设计和进一步的改进、与制造相关的偏差、修改、不确定性、更新,以及机载一体化车辆健康管理(IVHM)系统的传感器数据、维护历史记录和数据挖掘可以获取的所有历史数据和航空数据。

    所以,只有应用完整的数字孪生技术(Holistic Digital Twin),建立大量【超现实】模型和数据,包含Digital Product(数字产品模型),Digital Production(数字制造模型),Digital Performance(数字性能模型),实时、双向、透明、系统地考虑设计、制造、性能,才有可能控制和降低研发周期,否则随着研发难度的增加,延期交付的风险会越来越大。另外,只有全数字化,才有可能突破性能设计的瓶颈。

应用完整的数字孪生技术实现数字化转型

    所以数字孪生在航空界的应用并不是将来要去做的事情,而是必须是当下就要去实施的非常重要的战略。当然数字孪生的实施非常有难度,这不仅仅是技术层面的事情,数字孪生的应用涉及到研发体系架构、研发制造试验验证流程的重定义,所以通常会“大动干戈”。当然,数字孪生也没有那么高大上遥不可及,其实我们或许已经多多少少实现了部分数字孪生。数字孪生的应用可以分阶段,从局部到整体,分步推进,逐渐完善。从波音、西门子航空等成功案例的观点来看,也是如此。以仿真和数字孪生为核心的数字化策略,正在成为驱动新航空业成功的秘诀。

    虽然航空航天的技术门槛非常高,和西方国家比起来,我们还有很长一段路去超越,但是中国巨大的市场和大量的工程科技人才、以及不畏艰苦,勤苦耐劳是我们独有的优势,中国的航空界看起来有信心正在复制中国的高铁、5G通信的奋发图强、自主研发创新之路,逆袭成为国际航空业强有力的竞争者。

责任编辑:程玥
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