【行业浅谈】CAE仿真：助力大飞机梦想起飞
近日，中国首款自主研发的大型客机C919正式总装下线，标志着C919大型客机项目工程发展研制取得了阶段性...
近日，中国首款自主研发的大型客机C919正式总装下线，标志着C919大型客机项目工程发展研制取得了阶段性成果。具有自主知识产权的C919是建设创新型国家的标志性工程，针对先进的气动布局、结构材料和机载系统，研制人员共规划了102项关键技术攻关，包括飞机发动机一体化设计、先进机翼的设计、电传飞控系统控制律设计、主动控制技术等。由于先进材料和先进设计手段的应用，体型较大的C919整体减重在7%以上。
以大飞机为典型代表的现代飞机设计是一项复杂、周期很长、技术含量非常高的工作， 其研发过程充满了挑战性。同时，大型飞机的设计也是现代先进设计方法和工具应用最为成熟和全面的领域。其中，现代先进的CAE仿真技术应用可以大大提高飞机的研发设计能力，有效指导新产品的研发设计，节省产品的开发成本，缩短开发周期，从而大幅度提高企业的市场竞争力。
在现代飞机研制中，CAE仿真技术的应用领域涵盖了以下多个领域:
飞机总体气动
飞机总体布局设计涉及到气动、强度、舒适性、噪声、疲劳寿命、结构优化等多方面的工程问题。随着现代CAE/CFD仿真技术的日趋成熟，主机所逐渐将先进的仿真研发手段与试验和经验相结合，形成互补，从而提升研发设计能力，有效指导新型号的研发设计，节省开发成本，缩短开发周期。CAE仿真可以对飞机的各大部件如机身、机翼、舵面、发动机短舱、气密舱、起落架等进行常规的结构分析、热分析、空气动力分析、电磁分析，通过多物理场耦合功能可进行诸如流体-固体耦合、热-结构耦合、磁-结构耦合以及电-磁-流体-热-结构耦合分析。下面是仿真技术在飞机总体设计的应用：
概念及方案阶段的气动布局选型计算
全机及整流部件减阻设计
高升力装置气动设计
飞机/机翼大迎角气动特性分析
机翼拓扑优化设计分析
飞机多学科优化分析
外挂物布置及分离过程分析
红外隐身特性分析
进气道/发动机舱气动分析
民机反推力及进气畸变分析
螺旋桨滑流气动特性分析
1、飞机整机结构分析
快速地进行模态和振型计算，并且考虑许多因素对模态和振型的影响，准确地计算出飞机在各种条件下的模态和振型。
通过仿真分析计算可以得到真实的飞鸟和飞机的撞击效果和合理的耐撞结构，可良好地模拟飞机坠地事故中乘员所收到的冲击以及安全带的作用。
3、全设计周期的飞机结构寿命细节优化设计
搭建面向所有结构设计人员、全设计周期的飞机结构寿命细节优化设计系统，实现飞机结构分析/优化辅流程模型的统一与传承，并伴随结构主流程逐级成熟，最终凭借寿命设计系统，将寿命设计要求和指标在各个设计阶段贯彻实施，将飞机结构的寿命真正设计出来。
复合材料及结构优化
复合材料具有各向异性、耦合效应、层间剪切等特殊性质，因此复合材料结构的精确仿真，已成为现代航空结构的迫切需求。许多CAE程序都可以进行复合材料的分析，但是大多程序并没有提供完备的功能，使复合材料的精确仿真难以完成。
FELAC广泛应用于航空航天领域，为飞机结构中的复合材料层合结构分析提供了完整精确的解决方案。下图应用ANSYS ACP(复合材料)+FELAC (有限元)+ Fluent(气动) + DX(快速优化)做的机翼复合材料结构/气动耦合轻量化设计分析。
FELAC将GENESIS的拓扑优化功能集成workbench环境中。设计者可以在一个可靠，鲁棒且易于应用的界面下自动的获取创新设计。
GTAM将拓扑优化集成到FELAC环境当中，与Workbench的诸多分析模块一起，紧密的集成在Workbench上，可以在Project Schematic视窗中创建GENESIS拓扑优化分析并管理。
气动弹性设计
飞机结构的气动弹性分析是飞行器研制过程中必须考虑的问题。飞机在起飞、降落、巡航或机动飞行状态下，由于受到重力、气动力、过载等因素的影响，机翼会发生弹性变形，而且有些工作工况下的变形非常大(超过2m)，此变形会导致飞机的气动特性发生明显变化，所以对飞机进行气弹分析非常重要。
1、静气弹
在飞机设计中通常采用线性理论估算方法获得静气弹变形后的外型。随着CAE技术的飞速发展，CFD/CSD多场耦合方法解决静气弹分析也成为国外航空领域的一种精确的手段。下图是FELAC静气弹分析案例。
FELAC流固耦合技术在飞行器气弹分析中具有明显优势，采用隐式算法，用户可以使用符合真实物理过程的时间步长，从而达到稳定、高效、精确的瞬态分析。尤其是在机翼颤振分析中，双向流固耦合技术避免了传统方法“准模态”假设，可以实现流场瞬态分析和机翼结构非线性的耦合，符合颤振的实际机理。
燃油动力系统
机燃油动力系统是保证发动机正常工作所必需的系统和附件的总称。其组成取决于飞机所用发动机类型，可由下面的全部或部分系统组成：(1)发动机及其起动、操纵系统;(2)发动机固定装置;(3)飞机燃油系统;(4)飞机滑油系统;(5)发动机散热装置;(6)防火和灭火装置;(7)进气和排气装置;在飞机燃油动力系统实际研制过程中，通常需要考虑发动机复杂流动换热、发动机灭火过程、飞机燃油系统分析等问题。
气动稳定性设计是当代航空发动机发展研制过程中的重要技术问题之一。在航空发动机中，对气流最敏感的部件是风扇、压气机和涡轮。在以上3个部件中，CFD的主要应用集中在对压气机和涡轮效率分析上，多级压气机/涡轮最主要的气动问题就是各级流动是否匹配，总的效率是否达到设计要求。在涡轮方面，CFD不仅可以计算涡轮效率，而且对涡轮叶片的冷却效果分析有着重要的应用。
2、飞机发动机舱内灭火过程分析
飞机发动机灭火系统极为复杂，而且灭火过程对于飞机安全性影响极大，因此CFD分析已经成为必不可少的评估手段。分析会涉及闪蒸、相变、多相流等复杂流动换热问题，FELAC软件中丰富的多相流及相变模型可以有效解决这一复杂仿真问题。
3、飞机发动机舱内复杂流动换热CFX分析
飞机燃油动力系统结构复杂，飞机发动机燃烧室产生的高温会影响各个部件的传热、应力应变。因此不仅仅需要CFX分析发动机舱内温度场、冷却效果、流动分布，也需要耦合有限元分析温度差导致的结构应力应变，因此多物理场分析工具是评估燃油动力系统复杂流动换热及应力应变的必要手段。
4、飞机燃油系统流体分析
燃油动力系统内部有大量的泵、阀元件，比如有柱塞泵、齿轮泵、离心泵、引射泵等。CFD手段可以对这些泵阀元件的流动性能进行评估，优化设计性能。航空燃油通过这些泵阀元件可能会产生气蚀，这也是影响元件寿命的破坏因素之一，可以应用CFD手段对泵阀流动气蚀现象进行模拟，优化元件设计。
此外，还有液压系统、气动噪声、航电系统等的设计应用。
当前，世界各地的各大飞机设计单位每天都在为设计高效飞行器、提高燃油效率、改善乘客安全性和舒适性、提高设计能力加快设计设计周期，降低后期维护成本等而努力。同时，伴随着环境保护的高涨，以及节能减排标准的更新速度不断加快，要求也更加严格，这也向飞机轻量化设计提出了更严峻的挑战。因此全世界的各大航空巨头公司都在日益加快高效飞行器设计、气动优化设计、飞机轻量化设计、高效率航空发动机设计等领域的研究投入，并取得了显著成果。而这些都得益于现代仿真和优化技术在飞机设计中的应用。
C919是我国航空工业设计能力的代表，同时也是飞机先进设计理念和手段最集中的展现。某种意义上，以CAE仿真为代表的先进设计手段为中国大飞机梦想插上了飞翔的翅膀。
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