大飞机研制中的cae

1、大飞机研制中的CAE,第一飞机设计研究院 宁振波 2008年6月8日,内 容 1.从大飞机研制看CAE的需求 2.DMU是CAE的基础 3.CAE应用的层次和阶段 4.CAE的现状 5.大规模应用CAE需考虑的问题(案例),Composite Solutions Applied Throughout the 787(复合材料的广泛应用),0,787客机美日意三国分工情况,A400 European Military Aircraft,Wind tunnel testing,A380主要部件的制造国家,45,38 m,11,9 m,27,35 m,11,68 m,A380 Transport system,Boeing Shows Off Digital Assembly Line,787总装配线数字化仿真！,大型整体结构件的加工与成形,A380飞机的翼肋,现代飞机的主要承力构件，如梁、框、肋和大型壁板等都是整体结构件。,高速切削，在简化工装的支持下以低切削力加工复杂薄壁的几何曲面,A400M,Centre wingbox crown fitting, January 2006,T5X,

2、波音大件加工,热处理与化学铣削单元,(激光焊接)LBW,(激光焊接)LBW,(激光焊接)LBW,磨擦搅拌焊接(FSW),磨擦搅拌焊接概念,Laser mask cutting,Means - 1 NC machine for laser mask cutting (before Chemical milling) laser,Travel X: 50.000 mm Travel Y: 6.000 mm Travel Z: 1.500 mm Max. Velocity x,y,z: 30 m/min Positioning Accuracy: 0.04 mm Laser 150/250 W,Boeing Wichita,应用柔性工装进行精确加工技术-简化装配工作！,蒙皮壁板自动化加工单元,Shift in paradigm - airframes to be made of composite material instead of aluminum,Milling machines,Tape layer machines,Source:,Aluminum,Composite,复合材料的

3、发动机短舱,the first complete fuselage,With the first complete fuselage barrel going to Getafe, four more A400M fuselages are in series production at the Integrated Fuselage Assembly facility (IFA) in Bremen and are currently being equipped before delivery to the FAL. The fuselage barrels will be delivered complete with internal systems as well as their cargo ramps and rear doors. They will constitute the largest Airbus structures yet carried by the Beluga aircraft.,A400M Fuselage and ramp, Bremen, G

4、ermany, February 2007,A400M的复材后舱门制造过程,The completed outer plate layup. Note the pattern of buildups at the locations of the stiffening stringers and crossbeams,A technician lays up the outer plate skin in a female composite tool, using dry multiaxial and unidirectional carbon fiber reinforcements,Demoulding first composite wing cover, January 2006,内 容 1.从大飞机研制看CAE的需求 2.DMU是CAE的基础 3.CAE应用的层次和阶段 4.CAE的现状 5.大规模应用CAE需考虑的问题(案例),数字样机,锻造仿真Procast,仿真加工Vericut,焊接仿真Weld,数控加工DNC,钣金成型仿真DYNAFORM,复材设计分析ESA,跨企

5、业协同系统,产品数据管理 ENOVIA LCA,需求管理,总体协同设计PERA,样机设计CATIA,系统优化设计Isight,工程分析MSC系列,气动设计CFX等,工装设计和制造CATIA,工艺设计CAPP FRAMEWORK,工艺仿真Delmia,多项目管理,生产管控,生产资源管理 ERP,制造执行MES,电子手册系统,产品研制,基础工作,第一阶段,第二阶段,第三阶段,DMU为基础的CAE应用(DMU的可用性),在F-35飞机的数字化虚拟产品开发创新工程中，多方开发、集成了一些设计、分析、试验及制造工程的先进软件工具，包括设计/仿真集成、多学科概念设计、分析知识工程（analysis knowledge engineering）、CAE数据管理。 虚拟开发环境已用于模拟飞机设计、试验、保障和制造的每个方面，以便在硬件制造之前对设计进行改进优化，对功能、性能进行验证。 飞机的DMU建成后，可以利用人机工程软件来生成人体模型，用来预估人与飞机的互动状况（人机工学结构）；虚拟模特被用来测试和优化飞机驾驶舱和客舱的人机工学性能。使用DMU后，工程师可以虚拟测试客舱内部使用的材料：装饰墙纸、金

6、属、细木工家具、地毯以及皮革制品等。,波音787项目高级副总裁迈克拜尔(Mike Bair)指出：“在767项目中，我们曾对50多种不同的机翼配置进行过风洞测试。而在787项目中，只测试了10多种。” 波音借助现代化CFD工具，设计人员能够对飞机外形DMU进行各种虚拟试验，使设计的可信度比过去大大提高，从而减少了测试次数。因此设计人员只需对确实有实际应用前景的设计方案进行风洞测试。 有限元分析方法已成为复杂几何形状结构的应力、应变和位移场预测的日常手段。优良的图形界面极大地改善了数据文件的前后置处理，自动网格生成、网格细化和自适应网格再生成,显著地提高了有限元模型的发展和分析的效率以及数值求解的精度，后置处理的算法和图形界面有效地提高了分析人员解释应力分析结果的能力。但有关新材料、新工艺的计算发展和扩展以及飞行器寿命的精确预测、智能化的基于仿真的设计（完整地模拟飞机的整个寿命过程）等方面尚有待完善。,内 容 1.从大飞机研制看CAE的需求 2.DMU是CAE的基础 3.CAE应用的层次和阶段 4.CAE的现状 5.大规模应用CAE需考虑的问题(案例),覆盖全球的产品数字化网络研制系统,

7、实例：波音公司数字化网络系统应用及其发展,现有机型的覆盖全球的数字化网络系统,研制新机型的数字化网络协同框架,1995年2005年，10亿美元,2004年,在飞机研制过程的每个阶段中，CAE技术可广 泛应用于飞机全产品中各类零部件、组件、全机 的设计、分析、试验、仿真、测试和故障诊断、 制造和维护。如：CFD气动力分析、CAE结构强 度分析、各类机电系统试验仿真、运动机构仿真、 数控加工仿真、维护维修的人体仿真、地面虚拟 测试等。 虚拟加工分析工具可对DMU进行“可加工性” 评价，可分析切削、钣金、锻铸造工艺对产品质量的影响（残余应力、回弹、温度场、流场等）。,通过计算机上的CAE分析和虚拟试验可以指导、简化、减少或替代部分实物试验，从根本上说，是要解决计算的结构模型和分析是否正确，是否反映真实结构特性的问题。这必须通过大量科学的验证试验并形成数据库、模型库, 从而改进并保证结构设计、分析的正确性。在这点上必须更新现有的观念，结构试验应是从少到多再到少。,PDM产品数据管理,需求分析,方案设计,工程设计,虚拟样机工程测试,加工制造,装配调试,物理样机工程测试,产品交付,维护管理,产品退

8、役,SDM仿真数据管理 仿真工具： ICEMCFD Fluent CFX Flowmaster EDEM MPCCI Optimus Infolytica REMCOM ,TDM试验数据管理 数据管理 资源管理 综合信息管理 项目规划 调度管理 数据采集监控 数据质量控制 试验报告管理 ,MRO及供应链管理 维修管理 维护管理 大修管理 库存管理 航线维护 车间维护 航材管理 工程支援 ,实现PLM产品全生命周期流程管理,内 容 1.从大飞机研制看CAE的需求 2.DMU是CAE的基础 3.CAE应用的层次和阶段 4.CAE的现状 5.大规模应用CAE需考虑的问题(案例),串行模式,并行模式,装配设计,数字化条件下工作模式的变革(多学科协同),气动设计分析流程,CAD模型 设计变量,生成设计网格,气动设计,气动分析,目标优化,方案优化,软件：CATIA 功能：模型参数化和驱动,软件： IcemCFD 功能：结构外形网格生成,软件： NUMECA 功能：非结构网格流场分析,软件：复杂流场计算包 功能：CFD并行计算 FLUENT流场计算 VSAERO低速气动 MGAERO构型欧拉特型 T

9、RIP湍流计算 ICE结冰模拟 TRIP操纵面 飞推综合计算,软件： iSight 功能：多学科综合分析 和方案集成优化,约束条件,结构设计,弹性气动力及载荷计算,静力、动力、颤振分析,气动弹性分析,结构多约束、多学科综合优化,方案优化,结构强度设计分析流程,软件：MSC、ANSYS、Caesam、SYSPLY 功能：静力学分析、疲劳裂纹分析、动力学分析、MSC分析集成、强度分析计算平台、复合材料分析,软件：FlightLoad、AS/Eluoad FASTRAN 功能：飞行载荷和气弹分析、 静气动弹性设计分析 非定常气动力分析,软件：iSight 功能：多学科综合分析和方案集成优化,软件：CATIA、LMS、RAMSIS 功能：结构设计，综合分析、 人体建模分析,软件：AS/Eload、Zaero 功能：静气弹修正和外形构造 载荷分析,虚拟产品开发,结构(强度、振动、优化) CFD(空气动力、冷却、喷燃、环控) 安全性(鸟撞、救生等) 振动噪音舒适性 耐久性(疲劳断裂) 运动学及动力学(操稳性、传动、控制、台架) 制造工艺(钣金、复材、锻造、铸造、热处理、焊接) 航空电子电气系统 环境(大气、热、腐蚀) 材料数据信息系统,虚拟样机的性能仿真与虚拟试验(CAE/CAM/CAT),多学科分析与性能仿真应用现状,CFD (气动,冷却,喷烧,环控),结构 (强度,振动,优化),安全性 (损伤,鸟撞,弹射救生,空投,空降),耐久性 (疲劳,断裂),运动学及动力学 (操稳,传动,控制,台架),声学,振动,噪音,舒适性,制造工艺 (机加,钣金,锻,铸造,热处理,焊接),航空电子电气系统,环境 (大气,热,腐蚀),材料数据系统,内 容 1.从大飞机研制看CAE的需求 2.DMU是CAE的基础 3.CAE应用的层次和阶段 4.CAE的现状 5.大规模应用CAE需考虑的问题(案例),应用CAD软件，制造者能创建产品的3D模型并在制造前进行一系列的虚拟分析和测试，如强度，颤震，噪声和碰撞测试。应用数字化制造软件， 通过过程仿真软件,能够探索那些零件或者部件如何被加工. 但不同CAD软件间广泛存在的兼容性问题，为A3

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