飞机结构强度虚拟试验技术研究

罗树东

(中飞公司汉中飞机分公司设计研究院,陕西汉中 723000)

飞机结构强度虚拟试验技术研究

罗树东

(中飞公司汉中飞机分公司设计研究院,陕西汉中 723000)

本文对飞机结构强度虚拟试验验证技术进行了初步研究,提出了构建飞机结构静强度虚拟试验平台的基本架构和思路,以及实施飞机结构强度虚拟试验技术的一般工作流程。

结构强度 虚拟试验 物理试验

1 结构虚拟试验技术介绍

随着现代信息技术的飞速发展，建模与仿真、虚拟现实、计算机网络等技术也有了巨大发展，促成了仿真、虚拟技术与试验和评价的有效结合，正在改变着传统的飞机设计流程。

飞机结构强度分析与验证是飞机研制不可或缺的重要一环，飞机设计流程的改变必然要求强度分析与验证程序的变化。这种变化主要体现在，第一，在设计飞机数字模型的同时，利用有限元技术随时对结构的修改做出性能评估，相对于昂贵的结构试验而言，大大地降低了设计阶段的成本；第二，以经过验证的分析工具为基础，辅以必要的物理试验，采用虚拟试验(Virtual Testing)技术对结构进行认证，能缩短结构认证的周期，降低物理试验的成本。

结构虚拟试验一般指能够预测结构破坏能力的评估结构强度的数值分析技术，该技术适用于金属材料和复合材料，适用于结构的准静态和动态响应。飞机结构静力试验规模大，费用高，试验过程中无法预测的问题难以避免，试验风险较大。对此，开展结构强度虚拟试验技术研究有着极大的必要性和十分重要的意义。

2 结构虚拟试验技术的内涵及特点

虚拟试验是在长期积累的大量有关数据、有关的力学模型以及各类三维模型的基础上，利用高性能计算机、网络环境、传感器或各种虚拟设备，建立能方便地进行人机交互的虚拟环境或虚实结合的环境，在此环境中对实体、物理样机或虚拟样机进行试验，用可视化的方法观察被试物体的性能及其相互间的关系，并对试验结果进行分析与研究。虚拟试验的内涵主要涉及三方面内容。

(1)试验手段即试验所需仪器设备的虚拟。(2)试验对象的虚拟。(3)试验环境的虚拟。

虚拟试验是相对于真实产品的物理试验而言的。虚拟试验技术属于可控制的、无破坏性的、耗费小并允许多次重复的试验手段。在复杂产品的研制过程中，虚拟试验不仅可以作为真实试验的前期准备工作，而且在一定程度上可以替代传统的物理试验，从而达到缩短新产品试验周期、降低试验费用、提高产品质量的目的。

虚拟试验不能完全代替真实试验，虚拟试验与真实的物理试验具有互补性。物理试验除了可以为虚拟试验模型的确认提供必要的数据和信息外，还可以发现虚拟试验不能涵盖的问题。

3 结构虚拟试验技术的发展概况

早在1984年，英国国家有限元方法及标准局(NAFEMS)就提出了在航空及其它相关领域开展仿真试验的设想，欧洲在20世纪80年代就在Fokkerl00飞机上进行过用虚拟试验替代全尺寸试验的尝试，美国采用试验与分析相结合的方式，开展了星舟号(Starship)飞机强度的认证工作。近年来，美国Boeing公司建立了协同虚拟试验(Collaborative Virtual TestingCVT)平台GENOA和积木式的虚拟试验验证方法，采用虚拟试验技术对X-37设计寿命性能进行了评估。

欧洲空客公司正在形成结构虚拟试验的能力，在项目开发阶段，主要验证集成技术／潜力；在设计阶段，采用参数化建模工具，支持设计或验证新的设计概念，评估设计方案和降低设计风险；在认证阶段，替代从主部件到全尺寸试验的认证试验。空客以过去的试验经验为基础，对A340前梁屈曲(静强度)、A380座舱鸟撞(瞬态动力学)、A300的47框裂纹分析(疲劳与损伤容限)以及发动机挂架的瞬态热模型作了分析验证，并提出了虚拟试验项目的目标和发展路线图。在空客公司，结构虚拟试验已成为结构分析的一部分，并已取得了巨大的成就。

4 结构虚拟试验与传统结构分析和试验的关系

4.1 结构虚拟试验与结构分析、强度校核的关系

结构虚拟试验是以微观力学的逐渐破坏分析为基础，采用不同层次的分析模型和高保真的破坏分析方法，利用已有的试验数据，采用经过认证的、可靠的分析技术和软件，对结构的响应性能快速做出反应，以比较不同的结构材料／工艺，判别结构设计的多种候选方案。虚拟试验采用的破坏模式及分析模型需要通过一定的试验标定或验证，常规的结构分析软件只是虚拟试验的工具之一。

结构虚拟试验软件是一个开放式平台，具有不断完善补充经验数据和有效的分析方法、对比评估数值仿真和真实的物理试验结果的功能，通过不断地积累提高虚拟试验的可信度。结构虚拟试验也不同于常规的强度校核，不仅要给出强度极限以及在使用环境下是否安全的强度结论，而且要模拟破坏过程，模拟破坏机理，挖掘结构潜力。虚拟试验范畴远大于强度校核。

4.2 结构的虚拟试验与物理试验的关系

结构的虚拟试验与物理试验共同点都是验证结构的强度性能。但是虚拟试验与物理试验面向的对象不同，一个是数字模型，一个是真实物理模型，因此，所采用的试验方法和核心技术不同。虚拟试验主要研究如何建立准确的数学模型和如何利用数学模型准确分析结构响应，而常规结构试验则侧重于如何准确地加载和如何精确地测量结构的响应。

物理试验主要证明结构在试验载荷下结构是否破坏，用以验证飞机结构的安全性，但是，物理试验的成本很高，而且物理试验通常并不做到破坏，即使进行破坏试验，也只能选取一种最危险载荷情况，验证破坏模式和破坏部位。虚拟试验可进行上千种仿真试验，验证每一种载荷情况及每一种可能导致破坏的载荷情况，覆盖面宽而且成本较小。

5 飞机结构静强度虚拟试验技术

5.1 飞机结构强度试验虚拟试验要求

一种新型飞机的研制需要进行全机结构强度静力验证试验以及大量的、各种类型和各种规模的飞机结构部件强度静力验证试验，以保证整个飞机结构在强度设计上是可靠的和最优的，对于改进、改型飞机，也需要经过试验来验证结构的强度性能以及所用的分析方法和工具的正确性，总之每种飞机结构及结构部件都要进行多种载荷情况的强度试验，整个飞机结构静强度试验过程不仅要耗费大量的人力和物力，还要花费相当长的时间才能完成，是造成新型飞机研制成本很高、周期很长的一个重要原因。

使用计算机仿真技术，通过飞机结构强度静力虚拟仿真试验系统，在计算机上对虚拟的飞机结构或结构部件进行结构强度静力虚拟仿真试验，即：虚拟结构静强度试验，可以验证与发现飞机结构设计中的各种缺陷并及时修改，这无疑将会极大地降低试验成本，缩短试验周期。

虚拟结构静强度试验是建立在大量真实的物理的试验结果基础之上的、解决现实结构静强度试验问题的计算机虚拟仿真试验，飞机结构静强度试验仿真系统就是进行这种虚拟结构静强度试验的计算机软件系统。是结构强度试验的计算机仿真。

飞机结构静强度试验计算机仿真系统通过虚拟的结构静强度试验过程可以预先演练真实飞机结构静强度试验，发现试验方案与试验过程中可能存在的各种缺陷，保证真实强度试验的成功进行；可以定性或定量地得到飞机结构的试验结果，并随着这种试验结果准确性和可靠性的提高，在一定程度上可以取代部分结构静强度试验。

飞机结构强度虚拟试验过程中存在着多种结构设计方案、多种分析模型，对这些设计方案和分析模型要进行对比分析和评估。对于每一种设计方案，无论是哪一种强度特征虚拟试验，都涉及到虚拟试验过程的流程组织与控制、过程数据的管理、不同部门之间的协调以及提高工作效率等问题。

为了解决上述问题需要选择一个仿真管理平台，在该平台上研发飞机结构强度虚拟试验系统，为强度虚拟提供操作平台，从而建立虚拟试验架构。

5.2 飞机结构强度虚拟试验架构

飞机结构静强度试验主要包括三个组成部分。

(1)结构静强度试验大纲和试验方案。

(2)静力试验的飞机结构试件。

(3)结构静强度试验过程。

针对飞机结构静强度试验的三个方面，所建立的飞机结构静强度虚拟试验系统包含：飞机结构静强度试验的试验环境、试验样机和试验过程的虚拟仿真。

对于上述虚拟试验系统的要求，建立试验虚拟试验系统平台架构，由三个子系统组成，即：结构静强度虚拟试验环境子系统、试验虚拟样机子系统和虚拟试验过程子系统。这三个子系统既相互关联又相互独立，试验虚拟环境和试验虚拟样机子系统可以分别开发，并可以独立运行或联合运行，虚拟试验过程子系统是建立在这两个仿真子系统之上的，与它们一起共同完成完整的飞机结构静强度虚拟试验。

5.2.1 虚拟试验环境

静力试验环境仿真子系统能够进行飞机结构静强度试验的试验设计并同时模拟设计的设备安装与运动，验证试验设计的正确性与可靠性。试验环境仿真包括了结构静强度试验的试验设计和环境仿真。

试验设计环境仿真以真实比例尺寸显示三维飞机结构的外形以及各种试验设备的安装效果，可以直观地检查胶布带的粘贴位置、重叠情况、粘贴角度，杠杆系统的分区情况、连接效果以及加载设备连接情况。可以动态地检查加载系统的干涉情况。

5.2.2 虚拟试验样机

试验样机仿真子系统通过虚拟的飞机样机模拟真实飞机结构在承受各种载荷过程中结构发生的外部变化(几何变形等)和内部变化(应力、应变等)规律。虚拟样机仿真需要针对飞机结构的不同研究领域(静力学、动力学、疲劳寿命等)建立不同的飞机结构仿真模型，飞机结构静强度试验仿真系统中的试验样机仿真模型是飞机结构强度静力仿真模型。飞机结构的静力有限元模型可以作为试验样机的一种仿真模型，有限元方法分析的结果作为仿真试验的结果，有限元方法作为一种建模方法，即：建立飞机结构静力分析的有限元模型。通过结构静力有限元分析系统模拟飞机结构承受载荷时的表现行为(结构变形、应力和应变的变化)。

5.2.3 虚拟试验过程

结构静强度试验过程的计算机仿真是通过虚拟现实(Virtual Reality)技术，在试验环境仿真与试验样机仿真的基础上，对整个飞机结构静强度试验体系与结果进行的计算机仿真。虚拟试验过程调用和协调试验环境仿真与试验样机仿真子系统动态地、直观地表现飞机结构静力数字试验的过程和结果。

试验过程仿真子系统不仅能对结构静力试验的执行系统(试验载荷加载系统)进行仿真，也能对试验的反馈系统(试验数据采集系统)进行仿真。使用试验过程仿真子系统演练飞机结构静强度试验并得到仿真试验结果数据，以仿真结果为参考数据，在真实试验中可以及时检测出采集数据的异常并诊断出异常的根源，保证真实试验的成功进行。

5.3 实施飞机结构静强度虚拟试验的工作流程

基于现阶段飞机结构设计情况，以及结构强度虚拟试验的特点、优点，建议开展结构强度虚拟试验技术研究，实施静强度虚拟试验。

首先在总体、结构、强度集成设计平台中建立飞机结构强度虚拟试验系统，用于提供结构强度虚拟试验平台。

飞机结构虚拟试验技术的核心内容是对设计的飞机结构进行准确地结构破坏能力的强度评估，给出数值分析结果以及结构破坏模式。

飞机结构静强度试验虚拟试验流程可以归纳为以下几个阶段。

(1)制定试验项目，编制试验任务书、试验大纲。

(2)进行结构有限元计算分析。

(3)进行虚拟试验件设计，建立虚拟试验环境。

(4)进行虚拟试验。

(5)试验结果评估，编制试验报告。

基于上述规划的流程，并结合CAD/CAE技术，定制飞机结构静强度虚拟试验过程。

6 开展飞机结构强度虚拟试验的一些思考

飞机结构静强度虚拟试验系统的建立是开展飞机结构强度虚拟试验技术的开始。通过飞机结构虚拟试验结果与真实试验结果的对比分析，不断修正试验环境、试验样机和试验过程的建模方法和虚拟模型，建立飞机结构静力模型的校核、验证和确认(Verification Validation and Accreditation VV&A)方法和标准，使得对于某些结构类型或某些试验类型可以使用计算机仿真试验代替。

飞机结构静强度虚拟试验系统的建立不仅是飞机结构静强度试验计算机仿真的开始，也是其他飞机结构强度试验计算机仿真的开始。以飞机结构静强度试验仿真系统为平台，共享已建立的计算机软件资源和数据资源将能很快地建立其他类型的飞机结构强度试验仿真系统。

[1]张宝珍.虚拟试验与仿真验证技术在国外武器装备研制中的应用.

[2]孙侠生,段世慧.飞机结构虚拟试验与认证方法的发展趋势.计算机测量与控制.

[3]赵雯,廖馨,代坤,彭健.虚拟试验验证技术发展思路研究.计算机测量与控制.

罗树东(1974—),男,汉族,安徽舒城人,高级工程师,研究方向为强度设计和验证技术。