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行业分析

虚拟化设计将加速航空领域 新型材料和新技术的应用
来源:中国航空报  2015-11-03 17:20:42
本文阅读次数:2441

原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?news_id=2211
-访美国Altair公司周明博士

核心提示:
近年来,随着计算机技术的发展,仿真设计已经广泛应用于飞机设计、制造等整个过程中,这些新手段的应用为飞机制造工业带来了巨大的革新性变化。
 
 
  中国航空报讯:近年来,随着计算机技术的发展,仿真设计已经广泛应用于飞机设计、制造等整个过程中,这些新手段的应用为飞机制造工业带来了巨大的革新性变化。此外复合材料作为一种飞机制造中同样具有革新性意义的事物,在飞机上的广泛应用也正在改变着整个飞机制造业,甚至未来整个飞机制造产业链条。日前,本报记者针对上述话题采访了美国Altair公司航空结构设计、优化减重、复合材料设计等方面的技术专家周明博士。
 
  《中国航空报》:在航空领域,传统的航空结构或者飞机结构设计都可以被虚拟仿真所替代吗?
 
  周明:自80年代以来,仿真分析已成为飞机结构设计方法中必须的工具。通过建立粗网格有限元模型,英文称GFEM,设计工程师可以获得比较精确的结构载荷分布。这样典型构件(如加筋板、翼肋等)在各种工况下的载荷可以通过有限元分析获得。在获得载荷的基础上,结构构件的设计通常采用经验算法来计算细节的力学响应及安全系数。随着计算机运算能力的不断增强,同时有限分析尤其是非线性分析功能的持续发展,细网格的模型,英文称DFEM,越来越多地被应用到飞机结构的设计过程中。近些年来飞机制造商正在推动整机的精确有限元计算,这样的模型可达几亿有限元,分析的工况可以包裹非常复杂的极限载荷试验过程,应用包括含大量复合材料结构的新一代客机。可以预测精确有限元分析方法将很快成为飞机设计的主导工具之一。
 
  《中国航空报》:在航空领域,仿真设计软件的应用经历了怎样的过程和发展?随着仿真软件的发展,是不是飞机的全部研发和制造流程都可以在电脑上实现?这对于航空工业有着怎样的意义?
 
  周明:部分内容已在第一个问题中已回答,我想再广义地谈谈计算机与软件在产品开发过程中的作用。我们知道,80年代后期飞机设计的过程有一个突破性的革新,那就是设计进入了全数字化的CAD时代。例如,在1994进入航运的波音777,是波音的第一架全部用CAD设计的大型客机。从此飞机设计过程已经发展到接近100%的计算机辅助设计。前面提到的传统的半经验设计工具也已经被转化为计算机软件,很多这样的工具可以用通用软件来实现,比如微软的Excel。显然,完全虚拟化的设计流程减少了样机及体实构件的加工和测试,从而缩短设计迭代周期,加快了整个产品研发速度。在近期最先进的客机研发上,如A380、B787、A350等,可以看到虚拟化设计技术缩短了产品开发周期,同时加速了新型材料和新的制造技术的应用。
 
  《中国航空报》:Altair在波音空客均有十分成功的应用,特别是在优化减重方面,请您简单介绍这些成功的应用,同时,您认为我们如何才能将这些先进的技术用于中国的大飞机研发?
 
  周明:空客和波音在新一代客机A380、B787和A350等的研发过程中,已经开始推动优化技术的应用。在B787和A350研发阶段,两大公司都建立了优化中心并且同Altair公司合作,通过优化技术来实现飞机的轻量化设计,取得了很好的成效。在我看来,通过更广泛的应用,优化技术还有巨大的潜力。中国于2008年成立了中国商用飞机有限责任公司,开启了跻身进入大型商用飞机市场的雄伟计划,正在研发的单通道商用飞机C919,类同于空客的A320和波音的737客机。在我看来,中国的优势在于他们可以在没有传统设计框架约束的情况下,接受最先进的设计工具并建立更有效的设计过程。
 
  《中国航空报》:波音787飞机上复合材料的应用已经超过50%,当前复合材料在飞机上的应用越来越广泛,将来会是一个什么样的趋势?Altair在这方面的优势为何?
 
  周明:B787和A350客机基本上达到全机身复合材料结构,这在航空领域是史无前例的。然而,复合材料设计方法至今还是相对保守的,通常采用所谓的“黑色铝合金”的设计理念,没有最大限度的开拓复合材料的潜力。复合材料结构的特点是结构和材料必须同时设计才能最大限度地挖掘减重的潜力,这一任务往往是远远超出工程师的经验和直觉,Altair的先进复合材料优化技术可以在这方面发挥重要作用。
 
  《中国航空报》:在航空工业领域,复合材料结构的设计有什么样的特殊性和难点?在CAE仿真上如何克服这些难点?
 
  周明:复合材料制造技术仍在快速发展,例如:AFP(自动化纤维铺放系统)技术使得自由改变纤维方向成为可能,进一步增强复合材料结构设计潜力。理解和掌握先进的复合材料制造技术对飞机结构设计非常重要。CAE技术也正在向着精确获取先进复合材料结构详细失效模式的方向发展。其次复合材料优化框架需要包括所有详细的设计验证标准。从材料科学、制造技术到仿真和优化设计,复合材料领域还在很快的发展和完善。
 
  《中国航空报》:您对中国航空领域复合材料的发展和应用有怎样的看法和建议?
 
  周明:中国复合材料的发展和应用的主要局限是由于缺乏高质量复合材料供应和成熟的制造经验。我相信这些差距将在近5到10年内很快缩小。我也非常希望先进复合材料应用将快速的在未来C919改型和其他客机项目中大量增加。
 
  《中国航空报》:增材制造即3D打印技术是个热门话题,Altair在航天上已有成功的案例,请您谈谈对3D打印技术在航空业的前景。
 
  周明:3D打印是目前得到广泛关注的最热门技术之一,这一热潮在很大程度上被快速增长的家用3D打印机推动,同时航空等工业的尝试和投资也在稳步增长,其中包括航空巨头通用电气、空客和波音。我认为这些相关的探索会带来远远超出3D打印技术本身的收益。这一对传统设计、制造框架挑战的过程,将为新的设计思路和技术创造新的机会。比如,由于3D打印本质上提供了无约束的自由结构造型,通过拓扑优化技术来建立初始设计会很容易被广泛接受。这样看来3D打印在很多工业领域会起到抛砖引玉的作用,它将为航空航天工业提供一个机会,让我们用一种全新的眼光来重新审视设计概念和方法,为新技术更广泛的接受和推广提供新的机会。
文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?news_id=2211