Cessna采用LMS Virtual.lab Motion研制Citation Columbus

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Cessna Citation Columbus的研制 计划于2014年投入运行的塞斯纳(Cessna Citation Columbus)公务飞机是堪称有80年历史的Wichita Kansas航空公司的巅峰之作。Columbus公务机将是同等系列中最大的，但对Cessna来说，更重要的是它代表了一种研制观念的转变。 这是Cessna第一次将主要精力放于系统集成和组装而不仅仅是结构构造。为了顺利地完成此项目计划，公司将陆续投资7.8亿美元，包括建立一个全新的组装和研发工厂。但这并不会一蹴而就，项目规划、工程研究、设计、测试和验证过程需要几个月乃至几年。 研制为全球商务出行量身定制的喷气式飞机 塞斯纳Citation Columbus公务飞机的连续最大航程为7048公里，最大巡航速度可达0.85个马赫数，约904km/h，将成为新型的商务客机。造价两千七百万美元的Columbus飞机可容纳8个成人和两个机组人员，并为行李预留了充裕的空间，非常适于跨洲航行。机舱高度为1.86m，使乘坐者足以舒适地站立或在11m长的机舱漫步。 到目前为止，Cessna已有上千架飞机翱翔天空，这无疑在商务喷气机市场上占有主导地位。 因此，研制新型飞机时，更大、更快、更环保成为首要考虑因素。Cessna团队也用大量时间和精力来调研客户需求，努力找出谁将是Citation Columbus的潜在用户，更为重要的是知道他们为什么选择Cessna。 Columbus的主要客户将是那些想进一步满足扩大的市场需求的Citation飞机使用者。他们已经对Cessna有很高的期望，制造厂商希望他们的客户对新机型感到满意。令人高兴的是，Columbus与之前的Citation飞机具有许多共性，这些共性体现在很好的飞行控制/操纵品质以及飞机的飞行性能上。 舒适友好的空中旅行环境 在当今世界，友好而舒适的空中旅行环境是一个不容忽视的问题。Cessna在Columbus设计过程中，大量使用计算流体力学来隔离并分析飞机表面与气流相关的点，测量哪怕最微小的气流扰动可能造成的影响。 以最终得到飞机空气动力学外形，在最大的速度下达到最好的性能组合，获得最小的阻力和最高的效率。 Columbus优秀的空气动力学外形与加拿大普拉特&惠特尼提供的高效发动机完美组合，普惠公司自20世纪70年代初就为Cessna公司提供发动机，双方有着长期的合作关系。此次，普惠公司使用最高效的技术为Columbus公务机制造了全新的发动机，动力效果更好。两台PW810 FADEC控制的涡轮风扇引擎，塔装在机身后侧，运行时耗油少，对环境污染小。Columbus在最高功率设置时，效率也最高；这意味着Columbus飞行时，无需为节油而减速。新的Columbus，即使速度降低几个百分点，飞行范围仍然能达到4,000海里。这就意味着为用户节省了很多时间和运营成本。 高级工程专家Tom Dwier对此表示“Columbus即使把速度降低几个百分点，飞行范围仍然能达到4,000海里。这就为用户节省了很多时间和运营成本。” 面向客户需求 Cessna工作团队视用户如家人，因而在飞机的设计中将其舒适度视为重要的目标。Cessna像众多先进的国际公司一样，通过与客户的直接交流，切实地满足他们的需求，由于有80%的Citation买家是老客户，因而调研工作开展得很顺利。团队进行了为期12个月的“舒适度”调研，参与人员涉及各行各业，从世界顶级的汽车制造商到前沿科技人员、医学专家及其它相关人员，如空服员和技术员。负责室内设计和研发的团队通过调研发现客户最关心是灵活性，于是他们将这个航空器内部设计得尽可能灵活。 “由于我们向许多相关人员调研了很多有针对性的问题，因而获得了大量正确解决问题的依据。我们发现客户最关心的是灵活性，于是我们将这个航空器内部设计得尽可能灵活。”室内设计和研发副总工程师Cindy Halsey提道。 走向全球化 毫无疑问，Cessna Citation Columbus旨在全球舞台上吸引最重要的客户，在这个24小时/7天的博弈中，时间和空间已不再重要。现今，快捷而高效地从A地到B地成为竞争成功的基本保障。 Columbus公务机的宗旨就是传递这种优势。Cessna Aircraft Company决策层对此充满信心：“Citation Columbus让我们的顾客比过去更方便、快捷和简易地进行全球商业。该型号飞机向我们传达了这样的信息：我们并不是止步不前的。这是Cessna历史中最扣人心弦的一天， 我们将继续把我们的产品推向每一个可能的市场。即便天空也不是我们的极限， 谁知道我们的下一个目标是什么？我认为在通往目标的路上，不存在任何障碍” 避免昂贵的错误 在设计开发过程中，Cessna需要保证飞机主要系统全部正常工作，避免代价高昂的设计事故和意外。在此过程中Cessna采用LMS Virtual.Lab Motion及其它关键的LMS解决方案，指导设计目前这一最大的商务客机项目。 Columbus公务机是Cessna向前迈出的一大步，它不仅体现在新机型的大小和复杂程度上，透过Kansas航空公司的飞机研发过程可见一斑。随着企业业务的急剧增加，所有生产线，员工和设备变得倍加繁忙，Cessna需要寻找一个结构化系统化的方案来协调这个庞大的工程。 Cessna决定不再像以往一样独自设计和生产飞机的大部分部件，而是从大型商业飞机制造商那儿借鉴了一个重要方法—集成和装配协同研发的子系统和零部件，以形成Columbus整机。 Cessna面临的真正挑战是如何按照严格的进度开展研发工作，同时协调供应商和内部各部门共同开发各主要子系统。为了系统最后能成功装配，所有工作并行推进是非常重要的。在航空工业上，小的差错会造成惨重的代价，几乎没有失误的余地。 Cessna负责声学和结构载荷分析的高级主管Robert Howes表示“在航空工业中，飞机研发过程中的停顿和阻断，会造成时间和费用的极大浪费，我们工作的任务就是通过大量使用高精度的模型进行仿真分析，以避免这些问题出现，特别是在设计早期就加以预防。” 他同时提及，利用这些工具，他们研究了关键路径的载荷包线，包括驱动大多数飞机设计的装配件，如起落架、机翼和推进系统。在研发早期，就考虑了这些因素并融入至整机模型中，并在整个详细设计过程中不断进行修改与优化直至设计结束。此后，这一仿真模型将最终成为用于飞机验证阶段的一个关键要素。 关键数据流的核查 与Cessna其它型号设计相同，载荷分析小组使用LMS Virtual.LabMotion多体仿真软件来模拟整个飞机以及主要系统的动力学，预测主要部件（如起落架、机翼、尾部、飞机操纵面和发动机）接触点处的载荷。 结构载荷分析的负责人Timothy Seitz在总结中指出:“优秀的多体动力学仿真解决方案对Cessna在喷气公务机市场的进一步研制成功至关重要，LMS Virtual.Lab Motion其中很重要的一个特点是它能与其他软件包直接进行数据交换，用户因此避免了繁琐、易出错的数据传递和转换。LMS Virtual.Lab Motion不仅将其它LMS工具和第三方软件整合在一起，而且能够使用Cessna开发的内部代码，完成专门的任务。” 同时，在研发过程中，整个飞机的仿真需要协同使用多个大型软件。LMS Virtual.Lab Motion作为一个强大的多体仿真工具，在LMS Virutal.Lab这一仿真平台中起到数据传输桥梁的作用，它就像一个交通警察，协调不同学科之间的信息交流，包括几何设计、空气动力学、应力、疲劳及损伤容限，真正实现了跨学科的协同仿真。” Cessna仿真技术的核心 事实上，LMS Virtual.Lab Motion是LMS解决方案的核心，在这一项目中作为完全集成高级系统的一部分被大量采用。Timothy Seitz特别指出，由于LMS Virtual.Lab Motion与CATIA V5底层构架完全共享，可以直接读入CAD模型，并可以将Cessna工程人员常用的NASTRAN与Elfini有限元编码双向集成在Virutal.Lab软件中。在我们所有飞机的研发，特别是Columbus项目，相当程度上得益于LMS工具的广泛采用。 在新机型的研发中，通过LMS Virtual.Lab Motion多体动力学模型所获得的载荷数据与Elfini应力数据一道输入Virtual.Lab Durability 耐久性软件中,可以确定部件的疲劳寿命。LMS Virtual.Lab Correlation相关性模块可以从NASTRAN的有限元模型中提取刚度矩阵和质量矩阵。此外，有限元模型可以通过LMS Test.Lab的模态测试结果进行验证和相关性分析。LMS Test.Lab试验系统对地面共振试验非常重要，特别是考虑飞机颤振时，这一验证过程不可或缺。 得益于LMS Test.Lab(试验系统)与LMS Virtual.Lab(多学科仿真平台)两个软件平台之间无缝的集成，在开发过程中数据可以不经过通用文件转换而直接传递，这就避免了数据转换和传递过程中经常出现的原始真实数据偏差和遗漏。此外，Cessna使用LMS Virtual.Lab声学仿真软件，预测由FEA确定的固有频率引起的机舱噪声。 LMS Virtual.Lab Motion的“巅峰之作”：再现系统真实特性 Cessna负责声学和结构载荷分析的高级主管Robert Howes提及他在研制中的经验时表示：当从整架飞机的概念设计到单个系统详细设计的时候，我们需要建立更加精确的多体动力学模型来预测Columbus的真实结构特性，为此，LMS Virtual.Lab的柔性体分析功能不仅对Columbus，而且对其中所有的柔性部件如轮胎、支柱、耳轴和拖拽链等应用中大显神威。例如可以为柔性部件添加刚度矩阵，这都成功运用了LMS Virtual.Lab Motion的强大的刚柔混合功能。 在开发过程中，Cessna的工程人员可以非常方便地改变LMS Virtual.Lab Motion的仿真条件，探讨设计参数变化时目标参数的相应改变量及灵敏度。修改设计参数后，工程人员只需简单的重复仿真过程而不用重新建立模型。他们也可以自动进行连续参数分析，如快速进行对比分析和试算分析。通过这种方法，可以进行多次仿真，预测在不同飞行条件以及不同机身重量配置下(如轻、重、前重、后重)机身的载荷情况。 快速机身设计的捷径 得益于LMS Virtual.Lab Motion可以通过一个柔性体模型进行多学科仿真分析，因此Cessna的结构设计团队能够大大缩短机身的设计时间，只需几周就可以完成过去通常需要四到五个月的机身设计。同样，起落架载荷预测也可以在设计早期的一周或两周内完成，而不必到设计后期再用数月的时间完成。快速仿真能够使工程人员在实物样机测试之前就可以了解起落架和其它部分的运动特性。 “过去，在Cessna，仿真方法主要用于解决试验不能处理的问题，而现在，我们利用仿真来指导整个研发设计过程，因而后期会很少出现意外。对于像Columbus这样一个复杂飞机，我们可能运用不同的型号、规范进行昂贵的飞机部件设计，而且多学科、多团队和供应商必须利用同一个全尺寸飞机仿真模型并行协作。大家都在一个规范内操作，也就是说LMS Virtual.Lab Motion成为连接不同领域的纽带。” 不仅仅是一个飞机制造商 Columbus的研发制造模式完全不同以往，是Cessna公司的一次大胆尝试。 第一架原型机试飞定于2011年。计划到2013取得联邦航空适航证。这是研发过程中最耗时的阶段，必须依靠仿真结果模拟Columbus在着陆、起飞、滑跑、刹车以及地面操纵时的安全性和耐飞性。此外，除了给出机身的静态载荷，还会提供飞机机动、转弯、湍流中飞行和发动机失效等情况下的动态载荷。 通过LMS Virtual.Lab Motion多体动力学仿真软件，可以迅速而准确地计算出机身上大量点的载荷数据。并且，这也能促进验证过程，因为联邦航空局(FAA)的官员对详细柔性体模型的仿真精度可以给予确认。LMS Virtual.Lab Motion能迅速准确地确定飞机载荷，对Cessna开发中的飞机验证举足轻重。 Cessna已经开始接受Columbus的订单，飞机计划于2014年之前投入运行。“为了如期交付，LMS的仿真解决方案如LMS Virtual.Lab Motion，对Cessna在喷气公务机市场取得进一步的成功以及按时推出所公布的飞机具有至关重要的作用，”Timothy Seitz表示。“对Cessna来说，它不仅仅代表项目日程，更是一种承诺；不是规范，而是责任。没有这种自豪感、先进的技术以及顶尖的工程师，我们将会是另外一番模样。” 模型调整及振颤预测 Cessna依靠LMS开展地面共振试验 仿真技术在Cessna飞机研发过程中被越来越多地应用，但这丝毫没有削弱测试的重要性。实际操作中，公司通过电动激振器激励用弹性绳索悬挂的飞机部件（乃至整个机身），利用LMS Test.Lab进行地面振动试验(GVT)，获得结构的频率响应和模态数据，以此对仿真模型进行验证和修改。 这些研究特别主要针对飞机颤振的预测及避免。颤振是由空气动力不稳定而引起的，指飞机高于某个飞行速度时，机翼及飞机其它表面的剧烈振动。通过试验，可以在研发周期中尽可能早地进行模型修改，在飞机发生故障前就对其检验。因而，恰当的测试和仿真能帮助Cessna工程师在第一时间进行正确的设计。 Cessna的空气动力学专家在新机型的开发中也在不断找寻新的方法和手段。过去，工程师们需要将测试和仿真结果并排起来，进行人工的比较，繁琐、费时并且易出错。虽然颤振预测很有必要，但在分析过程中是研发和验证中的主要瓶颈。以前，仅通过眼睛来筛选和分析测试数据就需要三到四个月的时间。而且，前期试验的设置——传感器和激振器的正确安装也几乎需要花费同样的时间。 现在，LMS Virtual.Lab Correlation相关性分析中的预试验模块可以指出传感器和激振器的最佳放置位置。 并且软件能够将试验和预测结果整合在一个动态模型中，然后使用如模态置信度（MAC）矩阵比较两组数据。通过MAC矩阵，我们可以看到数据在哪儿对齐，在哪儿发散（指示动态模型需要改进）。修改模型，直至结果能相互吻合。修改后的模型将用于精确计算颤振速度。模型调整过程会给出临界刚度属性数据。把数据导入Virtual.Lab Motion，生成机身和各部件的柔性体。 Cessna“野马”飞机的研制，首次使用了LMS Virtual.Lab的相关性分析软件，只用2周时间就精确预测出颤振速率；而在过去，此过程需要14-16周，这就节省了大量时间来进行“快速”验证测试。“这在之前是闻所未闻的，”Craig Mund说。“现在，我们只需使用很少的时间就可以进行准确的相关性分析，以满足Columbus紧张的验证时间要求。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/5/2010)