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航空与航天设备 |
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LMS国际公司1D&3D仿真平台在航空行业的应用 |
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作者：LMS国际公司 程磊 |
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LMS国际公司，总部位于比利时鲁文，为全球最大的集试验系统、虚拟仿真平台于一体的工程解决方案供应商，以其独特的测试与仿真相结合的整体解决方案，为航空航天、汽车、船舶和其它制造领域的合作伙伴提供工程创新服务。
LMS公司的产品涵盖试验系统、1D多领域系统仿真、3D集成多学科仿真平台、试验和CAE数据管理、企业流程集成和多学科优化系统在内的完整架构，可以帮助用户解决从产品概念设计、方案设计到详细设计直至试验验证的整个生命周期内的工程难题，如机构设计与动力学分析、控制/液压/电机驱动等电液系统设计、机电一体化分析、结构有限元分析、振动噪声分析、疲劳耐久性分析、结构优化、模态测试、模型修正、多学科优化，等等。基于LMS所提供的虚拟仿真和试验系统，各领域的制造商可以快速设计、分析、验证并优化产品方案，获得最优的产品品质，加快产品研发进程，节省时间和成本。
LMS公司产品体系与解决方案
LMS公司的虚拟仿真软件主要包括1D多领域系统仿真环境Imagine.Lab AMESim和3D集成多学科仿真平台Virtual.Lab。
Imagine.Lab AMESim是当前CAE领域应用最为广泛的一维多领域仿真平台，它基于动态建模方法建立物理元件的数学模型，提供面向众多学科领域的专业应用库，包括控制、液压、气动、热、多相流、空调与冷却系统、电子电力、电磁、机械与动力传动、车辆动力学、内燃机，等等。这些专业库和库元件都经过了大量工程检验。用户只需要根据系统组成，把来自各专业库的预定义好的物理元件模型连接和组装起来，即可创建完整的系统模型，AMESim可自动形成系统方程，并进行稳态、瞬态或频响计算，分析系统性能；通过AMESim集成的参数研究与优化工具或LMS公司专业的多学科优化系统Optimus，用户可以进一步对系统参数进行优化，找到达到产品设计目标的最优设计方案。多领域系统仿真技术与AMESim平台，非常适合在产品方案设计阶段，在获得详细的几何模型前，进行整体方案设计和选型。AMESim提供强大的二次开发能力，用户可以开发自己的专业库或元件模型，亦可集成其已有的in-house代码和程序。AMESim的代码生成能力在同类软件中首屈一指，优异的代码生成与优化能力，使其可以方便地将系统模型生成实时代码，在设计验证阶段进行硬件在环等半实物仿真，对控制系统设计方案进行验证，整定系统参数。
Imagine.Lab AMESim多领域系统仿真平台
Imagine.Lab AMESim在航空领域具有广阔的应用空间。AMESim流体系统和电气系统相关专业库结合，可以提供航空液压系统、航空发动机装备、环境控制系统、地面负载与起落架分析、飞行控制系统设计等领域的解决方案。
·航空液压系统。基于Imagine.Lab AMESim热与液压等相关专业库，LMS Imagine.Lab航空液压系统解决方案能够帮助工程师设计完整的液压系统，包括从液压系统动力源（油箱）到耗能元件（执行器等）到液压管网。AMESim可以针对实际工况对所设计的系统进行各项性能分析，如液压回路各段压力损失、容积损失及系统效率，压力冲击，液压执行元件的行程（摆角）和速度、执行机构载荷、压力循环、流量循环和功率循环等。设计人员可以快速验证液压系统方案并进行元件选型；
·航空发动机装置。基于Imagine.Lab AMESim热与液压相关专业库提供的元件，AMESim航空发动机装置解决方案为燃油系统（计量单元、泵、喷嘴、起动机及换热器等）及其控制系统、滑油系统的设计和产业化提供支持，同样也用于发动机控制系统的设计和优化。该方案帮助工程师设计航空发动机燃油及其控制系统，帮助工程师设计增压供油燃油系统，进行燃油系统的热负荷分析，以提高燃油系统的可靠性；
·飞行器环境控制系统。基于AMESim控制库、气动库、湿空气库、热力学库、多相流库，可以设计包括发动机引气系统、能源管理、空气调节、通风回路、舱体在内的环境控制系统，提供航空飞行器从压力、温度、流量和湿度角度考虑的空气质量和舒适性。
AMESim中建立的某商用飞机空气循环系统
·地面负载与起落架。基于AMESim热与液压、气动库、控制库、机械库、电气库等，可以帮助用户设计飞机起落架缓冲器、转弯系统和刹车系统。该解决方案可以分析包括液压、气动和热在内的多学科系统，并通过与多体动力学的集成考虑结构/作动器之间的耦合，进一步分析落振、摆振、收放等复杂问题。
·飞行控制系统。基于AMESim控制、液压、机械、电机驱动等专业库，可开发各种类型的飞控作动系统（机械式、机电式、电液式等），通过与多体动力学和有限元的集成，可以在统一建模环境中方便地处理控制、电液、机构与结构柔性之间的耦合，进行不同功能品质的评估（电液、多体、应力和耐久性等）。
AMESim中建立的传统液压式飞控作动系统
Virtual.Lab是一体化多学科3D仿真平台，它提供集成的仿真环境，包含完整的结构、振动、声学、多体动力学、疲劳、混合仿真分析、优化设计等分析能力，是全球第一个能够将多学科分析完全集成在统一环境下的仿真平台。Virtual.Lab与CAD系统如CATIA V5完全无缝集成并自动链接，从CAD建模环境可以直接切换到Virtual.Lab分析界面，而无需进行任何文件转换和数据传递。此外，Virtual.Lab与LMS试验系统完全集成，可以进行独一无二的混合仿真，将基于试验的模型和载荷与虚拟样机结合起来进行仿真分析，并可以进行模型验证和修正。
Virtual.Lab 3维仿真平台功能与模块
Virtual.Lab多学科分析功能是通过与CAD系统无缝集成的多个Workbench工作平台实现的，这些工作平台包括：
·Virtual.Lab Structures结构分析；
·Virtual.Lab Modeling and Assembly建模与装配；
·Virtual.Lab Motion多体动力学分析；
·Virtual.Lab Acoustics声学分析；
·Virtual.Lab NVM振动和混合仿真；
·Virtual.Lab Durability疲劳耐久性分析；
·Virtual.Lab Optimization优化设计。
Virtual.Lab提供了航空产品从方案设计到详细设计的所有关键过程所需要的关键分析技术，与CATIA V5的无缝集成能力、强大的有限元前后处理和装配建模、独特的仿真流程捕获和自动运行技术，使Virtual.Lab成为最佳的航空产品虚拟仿真平台。
Virtual.Lab有限元建模分析环境
·在结构设计方面，Virtual.Lab与航空行业标准的CAD建模平台CATIA V5无缝集成，因此与CATIA V5的数据格式和界面环境完全一致，消除了在不同前后处理和建模软件之间复杂的数据转换过程。一方面降低了结构工程师的使用门槛，另一方面可以节省结构设计和分析人员大量的工作时间，显著提高分析效率。Virtual.Lab在网格划分、编辑、质量检查和装配等方面具有突出的功能，在CATIA中完成结构设计后，可以无缝切换到Virtual.Lab界面下进行有限元建模；在使用Virtual.Lab进行分析时，可以随时直接修改CAD几何参数和特征，有限元模型将随之自动更新，而无需重新建模。
·基于Virtual.Lab多学科Workbench，通过Virtual.Lab Structures完成有限元建模后，可以通过所建立的共同的数据模型进行多学科分析。Virtual.Lab可以驱动MSC Nastran、ANSYS或Abaqus等通用求解器进行结构强度、刚度、动力学分析。此外，Virtual.Lab支持航空产品结构设计中的一些特殊或高级需求，如整体结构布局设计和重量重心统计分析、复合材料建模、结构布局传力分析、模型质量检查等。
·通过Virtual.Lab Acoustics可以准确分析和预测飞机内部的声学品质，同时考虑结构传递和空气传递路径，减少发动机辐射噪声，提高乘客舒适性；流体声学功能模块则可以处理喷气发动机周围产生的流体噪声或风扇叶片产生的噪声；随机声学技术可以计算随机压力场作用在机身表面时机身的机构振动。
·Virtual.Lab NVM可以进行无与伦比的整机级的振动噪声分析，它可以方便地将各部件模型装配成系统级模型，通过子结构综合技术，求解规模和速度比传统有限元软件有显著提高。
·Virtual.Lab Durability帮助结构工程师预测疲劳热点和相关部件及子系统的疲劳特性。专门的耐久性后处理模块可以快速获得危险区域的反馈，了解疲劳问题的根源。Virtual.Lab Durability与Virtual.Lab Motion相结合，还可以实现一体化系统级疲劳分析，通过Virtual.Lab Motion多体动力学计算可获取部件的载荷，此载荷可无缝传递到Virtual.Lab Durability中，作为疲劳计算的输入条件。
·Virtual.Lab Motion可以用于航空器机械系统运动学和动力学分析，如起落架、飞控作动系统、舱门机构、发动机转子机构、直升机旋转机构等，准确地模拟和预测机械系统的实际运动过程和载荷。CATIA装配体模型可以直接转换为运动分析模型，参数化的应用模板和强大的求解器进一步保证了分析效率和精度。
·企业仿真流程的捕获与知识重用是国内外航空企业近年来着力发展的热点问题，这对于进一步提高研发效率，加快产品开发进程具有至关重要的作用。Virtual.Lab具有强大的仿真流程捕获与定制能力，通过流程录制和简单的脚本开发，即可以将专家流程和经验进行固化，使专家经验在整个企业进行共享，通过自动化的分析流程对多个设计方案进行快速评价，提高产品开发效率。
Virtual.Lab机构动力学建模环境
航空飞行器的起落架、飞行控制系统都是典型的机电液一体化的复杂系统，控制系统、电液系统、机构的受控运动与结构振动存在强耦合，长期以来一直是航空产品开发的一大难题，当前很多主机所的起落架和飞控系统设计还主要依靠经验公式、自研软件，有的已经在采用机构动力学软件等研究诸如起落架落振、收放、摆振、控制面作动等问题，但都没有把控制和机构设计综合起来考虑，两方面的设计基本是脱节的。无论是有限元分析，还是机械系统仿真，抑或是电控系统仿真，都是在孤立的软件环境中完成的，把原本紧密耦合在一起的机械和电控系统割裂开来分析问题，没有考虑结构振动、机构运动和电控系统之间的耦合影响。问题存在的原因一方面是研发机构的结构组织问题（如控制和结构分别由两个部门设计），但更主要的是还没有找到一个能够把“电”和“机械”结合起来综合考虑的技术途径。
要精确分析航空产品机电系统的性能并进行设计优化，必须通过多学科联合仿真的方法，考虑控制、驱动、机构和结构振动在内的各种因素的作用。如果能够从产品设计的早期阶段，即能够建立完整的包括机构和电控系统在内的闭环模型，在分析和优化系统设计方案时精确考虑系统耦合的影响，则可以大大提高分析精度，进一步优化产品设计，显著减少设计迭代的反复过程。
要考虑电液控系统与机构之间的相互作用，需要机构运动分析软件和电液控系统分析软件之间具有基于共同数据格式的无缝集成能力，实现系统之间控制驱动力和运动等状态信息的实时交换，从而模拟真实的闭环耦合系统。LMS公司的Imagine.Lab AMESim和Virtual.Lab，是当前进行机电系统耦合仿真的完整的解决方案。基于Imagine.Lab AMESim强大的专业应用库中的物理元件模型，用户可以快速建立起落架、飞控的电液控系统；基于Virtual.Lab Motion，用户可以在完成CAD模型设计后，在与CAD系统完全一致的建模环境中直接建立机构运动模型，基于起落架或飞控作动系统的CAD装配模型快速建立机构动力学模型；Imagine.Lab AMESim和Virtual.Lab Motion具有天然的无缝集成能力，两者之间可以通过联合仿真实时传递状态信息、模型导入和集成、求解器调用等多种方式实现闭环耦合仿真。起落架飞控分析人员可以在集成的软件环境中通过联合仿真分析结果观察逼真的机电系统作动过程，并可借助LMS Optimus优化系统，进一步对整个机电系统进行参数优化。通过Virtual.Lab Motion中的轮胎路面等高级功能，可以研究复杂的起落架工况，如落振、摆振、滑行，等等。
Imagine.Lab AMESim与Virtual.Lab Motion多学科联合仿真
Imagine.Lab AMESim和Virtual.Lab Motion可以通过三种方式实现集成和闭环分析：
·Co-Simulation联合仿真方式
- AMESim和VL Motion求解器在分析过程中同时运行，分别求解各自的模型，在设定的通讯步长上通过接口进行信息交换；
- 采样保持方法。
·Master-Slave主从求解方式
- AMESim电液系统模型编译为dll文件，集成到VL Motion中，VL Motion作为主求解器，分析过程中由VL Motion进行积分求解；
- 此种方式可以将AMESim模型参数和变量导入VL Motion，即Watch Parameter和Watch Variable，允许在VL Motion中直接修改AMESim模型的参数，而无需回到AMESim中修改，再重新导入。
·Function Evaluation函数评价方式
- VL Motion模型方程通过坐标缩并形成ODE方程集成到AMESim中，作为AMESim的一个子模型，在求解过程中，AMESim求解器作为主求解器，负责进行积分计算，而VL Motion求解器仅负责评价函数结果。
具体采用哪一种集成方式，用户在分析时可以根据实际情况灵活选择。
飞控作动系统多学科耦合分析
在Virtual.Lab仿真平台中引入AMESim电液控系统模型后，还可以结合Virtual.Lab Structure进行刚柔耦合分析，进一步考虑结构振动的影响，全面考虑电控系统、机构运动和结构振动的耦合，较典型的如飞控作动系统中控制面受到驱动力和气动载荷的作用，会产生较强的结构振动和弹性变形，等等。刚柔耦合分析结果所包含的柔性体的载荷时间历程和应力谱信息，可以无缝传递到Virtual.Lab Durability环境中，分析起落架或飞控的零部件疲劳问题。Imagine.Lab AMESim结合Virtual.Lab的这一整套多学科集成分析方案，已经广泛应用在空客、波音、巴西航空和湾流等先进航空企业的各机型研发流程中。作为机电系统设计平台，成功解决了A340、A380、A350等机型的伺服液压式、电液式和电动式的飞控作动系统设计问题；基于Virtual.Lab起落架专用设计模块并结合AMESim，完成各类机型前起落架、主起落架的设计和论证，包括起落架结构设计，落振缓冲装置、刹车系统、转弯系统分析，起落架落振、摆振、滑行、起飞等复杂问题的研究，等等。
起落架缓冲器设计与落振分析
将1D系统仿真与3D虚拟样机建模结合起来进行机电液一体化是当前航空产品开发的趋势和迫切需求，其发展和应用方兴未艾。LMS公司率先突破技术瓶颈，在Imagine.Lab AMESim和Virtual.Lab中进行技术创新，开发了强大的集成能力。Imagine.Lab AMESim结合Virtual.Lab是进行航空产品机电系统开发的最佳平台，具有广阔的应用前景。(end)
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(6/26/2009) |
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