空间飞行器行业设计过程中遇到的突出矛盾和问题
1、空间飞行器结构
空间飞行器的总体结构主要包括：机身、发动机、翼面、发射起飞系统、有效栽荷、局部受力结构等。
·机身和翼面，属于薄壁结构。主要以梁、薄蒙皮来承力。
·发动机，主要是发动机壳体和动力系统。以板壳、实体和梁为主。
·发射起飞系统，主要包括起落架和操纵系统等。以梁杆和板为主。
·有效载荷，主要是乘员、货物等。涉及载荷与机身之间的固定连接结构。
·飞行器局部受力结构主要是连接区结构，包括连接法兰、接头耳片和钉群等。
2、空间飞行器的受力
对于飞行器的不同结构，关注的分析重点都有所不同。
1） 机身，主要承受的载荷：
·气动载荷：机动载荷、突风栽荷、操纵面偏转产生的气动载荷等；
·惯性载荷：飞行器在空中加速出现的惯性力；
·地面载荷：起飞、返回着陆过程，地面对飞行器的反力；
·动力载荷：推力、扭矩、陀螺力矩、进气道压力等；
·热冲击：大气和机身摩擦生热引起的热应力和变形；
·其它载荷：牵引、坠落、外来物撞击等；
2）翼面，主要承受的载荷：
·气动力：气动载荷主要由飞行器的翼面产生；
·惯性力：结构重量、外部和内部载重；
洛克希德.马丁公司用MSC FlightLoad、MSC Nastran和MSC ADAMS模拟飞机外挂物的分离过程及相关结构的受力变形和姿态保持。
3)发动机，主要承受的载荷：
·惯性载荷：转子系统的离心力、加速引起的惯性力；
·进气道气体压力；
·高温载荷：高温燃气引起的发动部件高温应力；
·外来物撞击：外来物对进气系统的高速撞击；
4）发射起飞系统，主要承受载荷：
·控制载荷：发射起飞系统展开和收缩的驱动力；
·地面冲击力：发射起飞瞬间，地面反力；
5）局部连接结构，承受连接的相邻部件之间传递的载荷。
空间飞行器的MSC.Software公司企业级解决方案
根据航空航天用户的CAE需求，MSC.Software不但提供了空间飞行器在总体结构设计、分系统设计和部件设计过程中的技术解决方案，还将不同学科领域的技术有机集成，提供虚拟产品设计的VPD技术方案，全面解决航空航天的CAE瓶颈问题。
1. 飞行器的总体结构，MSC.Software全面评估总体性能。
MSC.Software对整机虚拟仿真，提供了集成的解决方案。
波音公司利用MSC.Software的VPD技术，对767、7E7多个型号的整机气动性能、控制系统、起飞着陆系统等进行了虚拟仿真设计。
·MSC Patran输入飞行器的总体CAD模型，建立有限元模型。MSC Nastran分析动力学特性并输出MSC ADAMS柔性体分析需要的模型中性文件。MSC Nastran分析发动机转子系统的陀螺力矩，作为机翼的激励之一；
·MSC FlightLoads在动力学分析基础上分析飞行器机身和翼面气动稳定性；
·MSC ADAMS分析副翼的运动特性，输出的结果作为MSC EASY5仿真的控制系统的传感器和作动器特性参数。作动的结果，又改变了气动参数和飞行姿态。形成一个闭环仿真系统；
·MSC Marc考虑材料高温度特性的辐射、对流和热传导，分析气动热和电子元器件发热，给出温度场的同时，确定热应力和热变形；
·MSC Actran分析确定气动外形下的飞行器周围噪声场和舱内的噪声；
·MSC Dytran、LS-DYNA分析鸟和碎片类的外来物对驾驶舱和机身的撞击；
·MSC Nastran和MSC ADAMS的计算结果，最为MSC Fatigue的动态载荷历程，分析整机的疲劳安全性。
2. 发动机系统：
MSC.Software提供了全面的CAE技术方案。
·MSC Nastran分析整机的动力学特性以及与飞行器总体结构的耦合振动。转子动力学模块，在考虑挤压油膜的同时，分析整个转子系统的临界转速、动不平衡响应等；
·MSC Marc分析叶片、轮盘在旋转惯性载荷、气动压力、高温作用下的强度和疲劳蠕变特性；
·MSC Dytran分析外来物撞击压气机叶片、叶片断裂后对转子系统的破坏和机匣包容性；
·MSC EASY5控制润滑冷却系统的供—回油；
MSC ADAMS分析调节机构的运动过程和作动能力；
利用MSC.Patran/MSC.Nastran分析优化发动机轮盘应力分布，
最大应力下降 0.3 %，轮盘减重 7 %。
3. 着陆起飞系统：
洛克希德•马丁公司集成MSC ADAMS/Aircraft、MSC Nastran、MSC Fatigue、
MSC EASY5、MSC Dytran等分析收—放机构整体性能和部件的安全性。
·MSC ADAMS/Aircraft分析收—放结构的运动特性，时间里程结果作为部件疲劳分析MSC Fatigue的输入参数。与MSC Nastran集成，分析关键构件的柔性。
·MSC EASY5分析地面人员或驾驶员的不同控制命令，收—放的不同响应。传感器和作动器模型与MSC ADAMS的模型结合，提供可视的动态控制仿真。
·MSC Dytran分析收—放瞬间，飞行器结构受到的冲击力、强度和刚度。
4. 翼面和承力局部结构：
·MSC FlightLoads分析翼面的气动力分布、颤振。MSC ADAMS分析翼面伺服系统的作动性能。MSC EASY5分析不同飞行姿态对翼面姿态的控制。通过气动载荷和作动控制系统互相耦合分析，优化翼面的设计。
·MSC Nastran焊接和固接单元CWELD，分析螺栓、铆钉、焊缝、法兰等结构的局部应力集中和破坏。
Bombardier航空集团利用MSC ADAMS、MSC Nastran、MSC EASY5分析翼面性能
5. 制造加工：
·MSC Laminate Modeler模拟飞行器上普遍采用的复合材料制造工艺和相应的力学性能。
·MSC Marc分析部件切削加工过程的应力和回弹变形、部件焊接的残余应力和变形。
波音利用MSC Marc分析部件切削、拉伸加工后的残余应力和回弹变形
MSC.Software公司VPD技术在空间飞行器领域的应用实例
国内某星载发动机，利用MSC Patran/MSC Nastran分析动力学特性分析。模态频率和振型与试验测试结果完全一致。理论分析对试验测试进行了有效的补充。 
波音公司在747、757、767、777上用MSC.Marc模拟飞机蒙皮的加工过程。通过分析结构的回弹，优化加工工艺，41段蒙皮减重100镑，每个型号上平均每年节省100多万美元。
波音公司利用MSC Nastran、MSC ADAMS、MSC EASY5联合集成技术模拟MD-11飞机着陆过程中，各种原因引起飞机左右摇晃时，机翼的是否会断裂和可能断裂的位置
MSC FlightLoads、MSC ADAMS、MSC Nastran和MSC Fatigue
分析Boeing7E7整机强度和副翼疲劳强度
“MSC.Software作为多年的可靠合作伙伴，其VPD技术帮助我们改进产品质量、提高设计和试验速度，因而节省了时间和费用” ——Dr. Ing. P. Cerreta, Technical Director of 7E7
空中客车(Airbus)公司利用MSC Actran/MSC Nastran，通过分析发动机噪声和机身湍流边界层对舱内噪声的影响，确定机身选何种材料和材料如何铺设，从而提高舒适性，并最终达到减重目的。
“MSC.Software公司人员定期参加我们内部的工作会议。他们的参与和技术支持，对我们的专家制定需求和规范，提供了非常有价值的帮助”——Alain Garcia, senior vice president engineering for Airbus Industry
洛克希德•马丁公司利用MSC ADAMS、MSC Easy5分析飞机起落架的运动控制特性
“为了实现虚拟公司的目标，VPDI和世界上最好的工程软件公司MSC.Software建立了合作关系”—Mary Ann Horter ，VPDI Director，Lockheed Martin Aeronautics
国内某型号卫星基于MSC Nastran和MSC ADAMS软件，对地面整流罩旋转分离试验和空间飞行抛罩状态进行了仿真，实现弹性运动和刚体运动的耦合。地面仿真结果和试验测试结果吻合较好
F22猛禽战斗机的导弹施放系统仿真
“MSC ADAMS和MSC Nastran的静力分析和动力学分析结果，与试验结果之间互相修正补充，对载荷传递路径、部件刚度、系统性能进行了验证”。——- Nick DeSimini，Sr. Staff Engineer, EDO  
美国MBDA公司利用MSC.Software产品，分析了导弹发射过程沿轨道滑动过程。验证滑轨刚度、滑轨与导弹之间的摩擦、滑轨和飞机之间的连接点位置等对导弹速度、加速度和弹身应力的影响。优化了发射机构。
德国Eurocopter Deutschland GmbH公司是著名的军用和民用直升机制造商。从1998年开始采用MSC.Patran、MSC.Dytran模拟分析复合材料机身和部件在不同坠落情况下的损伤程度。结果优化了整个结构的设计，同时减少了试验次数。
Boreas Engineering & Systems 是西班牙专门从事航空结构设计制造公司SENER的分公司。采用MSC Robust Design、MSC Nastran对机翼复合材料蒙皮厚度和Z型截面梁尺寸进行分析，在应力和位移满足强度要求的前提下,单个机翼减重25%。
波音公司从2002年开始在全球范围内将MSC.Software软件转为企业级的MSC MasterKey。“转为MSC MasterKey License管理系统，减少了公司在软件上的投资，同时也扩展了可以利用的分析功能” ，-- Anita Boedeker， Enterprise Licensing Team Supervisor
Fairchild Dornier GmbH是德国的著名航空公司，主要制造支线喷气客机和公司公务机。在Fairchild Dornier 728Jet研制过程中，采用MSC Patran、MSC Nastran分析整架飞机的温度场，并在此基础上分析热应力和热变形。
GE公司在2005年对全球范围内所有MSC Nastran增加了转子动力学Rotor Dynamics模块，专门用于分析发动机转子的临界转速和动不平衡响应等问题。
“借助MSC Nastran转子动力学功能，公司再也不需要自己开发转子分析软件。即使对于主动电磁轴承这样的复杂转子系统，现在也可以加入到发动机—飞机整个分析模型中进行联合分析模拟”—Dr. Charles Lawrence, structural engineer, Structures and Acoustics Division
Aircabin 是空中客车Airbus公司的分公司，为A380设计了750多个舱内部件的成形模具。通过SimDesigner分析模具的加热过程，将加热时间从3分钟减少到10秒钟之内，提高了部件成形质量和生产效率。
波音公司和MSC.Software公司，利用MSC SimManager合作开发专门用于飞机动力学分析和气动弹性分析的流程和数据管理系统。目前开发成果已经投入新型号的研制过程。
(end)
|
