基于Simcenter的新一代飛機(jī)設(shè)計(jì)

鑒于預(yù)計(jì)的旅客流量未來(lái)將持續(xù)攀升，飛機(jī)行業(yè)迫切需要轉(zhuǎn)型，以避免二氧化碳(CO2)排放量激增，推進(jìn)系統(tǒng)電氣化因此而成為重中之重。但是，其所需的超大功率密度勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生諸多熱力學(xué)問題和電氣系統(tǒng)集成難題，因?yàn)椴煌锢韴?chǎng)之間的相互作用會(huì)變得越來(lái)越多。要解決這些復(fù)雜難題，飛機(jī)總裝集成企業(yè)需要對(duì)其開發(fā)流程進(jìn)行升級(jí)換代，從以往過(guò)于孤立、靜態(tài)、基于文檔的工程方法轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)、基于模型的工程方法。Simcenter 軟件和硬件產(chǎn)品組合提供一整套全面、可擴(kuò)展、便于協(xié)同的工具，支持動(dòng)態(tài)、基于模型的性能工程，可將從概念設(shè)計(jì)到認(rèn)證的所有流程都集成到同一平臺(tái)上。這樣就可以在整個(gè)設(shè)計(jì)周期中實(shí)現(xiàn)一致、準(zhǔn)確的行為驗(yàn)證與確認(rèn)。

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引言

化石燃料對(duì)環(huán)境的影響已經(jīng)成為所有交通運(yùn)輸業(yè)的熱議話題，同時(shí)也使電氣化成為重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域之一。飛機(jī)電氣化設(shè)計(jì)需要各種創(chuàng)新技術(shù)和全新的開發(fā)流程。在本文中，我們列舉了當(dāng)前具體面臨的種種挑戰(zhàn)，詳細(xì)闡述了基于模型的工程方法如何幫助飛機(jī)制造商及其供應(yīng)商為性能工程部署全面的數(shù)字孿生。該方法通過(guò)對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的仿真來(lái)進(jìn)行相關(guān)行為驗(yàn)證和確認(rèn)，通過(guò)消除不同學(xué)科和應(yīng)用之間的孤島效應(yīng)來(lái)有效解決設(shè)計(jì)中的復(fù)雜難題，可以大幅縮短開發(fā)時(shí)間并降低風(fēng)險(xiǎn)。再結(jié)合部署數(shù)字主線，便可實(shí)現(xiàn)出色的項(xiàng)目執(zhí)行。

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航空業(yè)現(xiàn)狀

航空業(yè)：全球化的基石
要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)一個(gè)時(shí)代可能出現(xiàn)什么樣值得銘記的重大變革，絕非易事。在過(guò)去50年間，全球化無(wú)疑是最重大的發(fā)展趨勢(shì)之一。如今，世界上人與人之間、與社會(huì)和企業(yè)之間的聯(lián)系日益緊密、關(guān)系日益和諧。這得益于諸多領(lǐng)域取得的巨大進(jìn)步。例如，許多國(guó)家不僅國(guó)內(nèi)局勢(shì)穩(wěn)定，對(duì)外關(guān)系友好，教育水平和公共福利也有了顯著提升。我們看到，通信技術(shù)的革命性創(chuàng)新大多源于航空航天事業(yè)所取得的巨大成就，或者與之息息相關(guān)。當(dāng)然，不可否認(rèn)的是，全球化的最重要推動(dòng)力量是人們?nèi)找嬖鰪?qiáng)的實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)面對(duì)面交流的能力。而航空旅行正是人（和貨物）快速到達(dá)世界各地的重要方式。就在50年前，航空旅行還只是大型跨國(guó)企業(yè)和少數(shù)有錢人的專利。如今，飛機(jī)和航空企業(yè)扮演著人與企業(yè)之間聯(lián)系紐帶的關(guān)鍵角色。
與此同時(shí)，無(wú)論是商務(wù)旅行還是休閑旅行，航空旅客客流量均保持穩(wěn)定增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。據(jù)空客公司《全球市場(chǎng)預(yù)測(cè)》1和波音公司《商業(yè)市場(chǎng)展望》2報(bào)告顯示，旅客客流量有望在2017-2032年翻一番。航空旅行已經(jīng)成為過(guò)去50年全球化發(fā)展的基石，未來(lái)它將繼續(xù)扮演這一角色，發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

環(huán)境問題

但與此同時(shí)，也不乏批評(píng)的聲音。全球化以及由此延伸出來(lái)的工業(yè)化主要采用化石燃料作為驅(qū)動(dòng)力，這為我們的地球帶來(lái)了巨大的環(huán)境壓力。在這一點(diǎn)上，人們已經(jīng)達(dá)成科學(xué)共識(shí)：如果不立即采取有效行動(dòng)，則將造成無(wú)法彌補(bǔ)和挽回的環(huán)境破壞。全球氣候變暖問題已經(jīng)促使國(guó)際組織達(dá)成了多項(xiàng)有關(guān)人為二氧化碳排放的國(guó)際協(xié)議，以及各國(guó)針對(duì)所有交通運(yùn)輸行業(yè)出臺(tái)的多項(xiàng)法律法規(guī)。所有交通運(yùn)輸業(yè)加起來(lái)占全球溫室氣體總排放量的 15%3。盡管航空業(yè)占比相對(duì)較小（約占總排放量的2%、交通運(yùn)輸行業(yè)排放量的12%）4，但也給人們留下了相當(dāng)負(fù)面的印象。飛機(jī)行業(yè)已經(jīng)意識(shí)到，他們亟需要采用新技術(shù)讓航空旅行變得更清潔和更可持續(xù)，以此來(lái)扭轉(zhuǎn)其糟糕的生態(tài)足跡和負(fù)面形象。在圖1中，國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)(IATA)描述了在預(yù)計(jì)客流增長(zhǎng)速度保持不變的情況下，各領(lǐng)域二氧化碳排放量在2010-2050年間的變化趨勢(shì)。如果再不采取任何針對(duì)性措施，二氧化碳排放量就會(huì)直接翻一番。因此，飛機(jī)制造和推進(jìn)系統(tǒng)制造企業(yè)一直在努力尋找種種解決方案。除了不斷減輕飛機(jī)重量外，還應(yīng)在增強(qiáng)現(xiàn)有飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)性能或者優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)施和企業(yè)運(yùn)營(yíng)這兩個(gè)方面尋求進(jìn)一步改進(jìn)。但是，任何對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的演化更新都無(wú)法幫助實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)。因此，亟需采用高新科技來(lái)實(shí)現(xiàn)到2050年碳排放量減少50%的目標(biāo)。除了大量采用生物燃料和氫燃料外，替代性機(jī)身構(gòu)型、結(jié)構(gòu)和材料技術(shù)（例如變形機(jī)翼技術(shù)、電動(dòng)和混合電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)）也具有一定開發(fā)潛力。圖1：二氧化碳排放量隨多項(xiàng)技術(shù)演進(jìn)的變化趨勢(shì)。

5油耗與運(yùn)營(yíng)成本

值得一提的是，除了幫助解決這些環(huán)境問題外，提高能源效率、減少對(duì)化石燃料的依賴還可為航空業(yè)（特別是商用飛機(jī)）帶來(lái)更多其他效益。圖2 顯示了一架典型波音737-800型飛機(jī)的總擁有成本(TCO)。其中50%以上的成本與燃料直接相關(guān)。由于地緣政治紛爭(zhēng)等原因，化石燃料的價(jià)格會(huì)劇烈波動(dòng)，這對(duì)于飛機(jī)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)無(wú)疑是巨大的財(cái)務(wù)負(fù)擔(dān)，甚至是嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)。在這一方面的任何改進(jìn)都可能大量節(jié)省航空旅行運(yùn)營(yíng)成本。電氣化就是其中一種值得考慮的途徑。IATA指出，到2030年，混合動(dòng)力技術(shù)可幫助小型飛機(jī)（15-20座）減少10-40%的化石燃料消耗，而到2045年，可幫助中型飛機(jī)（50-100座）減少多達(dá)40-80%的化石燃料消耗。而這僅僅是實(shí)現(xiàn)全面電氣化的中間一步。圖2：典型單通道商用飛機(jī)的總擁有成本。

6機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)

除了油耗和碳排放外，噪聲和空氣質(zhì)量也是航空業(yè)對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境總體影響的組成部分。例如，噪聲是許多地方政府出臺(tái)法規(guī)限制飛機(jī)夜間和凌晨飛行的重要原因。在擴(kuò)建現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)或規(guī)劃新機(jī)場(chǎng)時(shí)，噪聲通常也是要考慮的主要障礙因素。為了與機(jī)場(chǎng)附近居民和諧共處，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，航空企業(yè)必須認(rèn)真考慮這一因素。在規(guī)劃實(shí)施不斷涌現(xiàn)的新興技術(shù)時(shí)，無(wú)論是否需要進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施更改，飛機(jī)制造商和機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商都必須通力合作，將環(huán)境噪聲降至可接受水平。此外，實(shí)現(xiàn)電氣化還可以帶來(lái)其他優(yōu)勢(shì)。電力驅(qū)動(dòng)在保持充足推進(jìn)力的同時(shí)，還可以降低螺旋槳和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而還可以實(shí)現(xiàn)分布式推進(jìn)的應(yīng)用。這樣，航空工程師就可以對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，將風(fēng)扇屏蔽到機(jī)身結(jié)構(gòu)中，避免噪聲直接傳播到環(huán)境中。

飛行安全

對(duì)于所有機(jī)組人員和乘機(jī)人員而言，安全至上。航空業(yè)電氣化水平的提升使復(fù)雜性進(jìn)一步加深，讓故障分析和故障緩解變得困難重重。此外，需要通過(guò)大量工程協(xié)同和工程工作來(lái)分析新電氣系統(tǒng)相互間的聯(lián)系。這些系統(tǒng)通常執(zhí)行基于先進(jìn)邏輯和大量傳感器自動(dòng)生成的控制函數(shù)。由此，有必要構(gòu)建一個(gè)有助于在整個(gè)飛機(jī)生命周期中交換設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的流程。

自動(dòng)化系統(tǒng)畢竟是人造的，難免會(huì)出現(xiàn)故障，還可能給飛機(jī)及其開發(fā)流程帶來(lái)全新的復(fù)雜性。具體而言，飛機(jī)的電氣化部署需要安裝大量新系統(tǒng)，其中通常會(huì)融合各式各樣的技術(shù)。毫無(wú)疑問，這會(huì)帶來(lái)巨大的整機(jī)集成難題，在全球化企業(yè)中與不同利益相關(guān)方攜手合作時(shí)更是如此。

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未來(lái)飛機(jī)的電氣化趨勢(shì)

我們目前正處于對(duì)傳統(tǒng)的“筒狀機(jī)身加機(jī)翼”噴氣構(gòu)型進(jìn)行演進(jìn)式開發(fā)的階段，有望在2035年迎來(lái)一輪全新的突破性創(chuàng)新浪潮（前提是經(jīng)濟(jì)條件持續(xù)向好）。如今，我們已經(jīng)朝著飛機(jī)電氣化邁出了第一步，同時(shí)還引入了其他創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)技術(shù)和材料技術(shù)。但是，客觀地說(shuō)，我們距離真正的行業(yè)轉(zhuǎn)型還有很長(zhǎng)的路要走。盡管使用電機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊，并將逐步進(jìn)入市場(chǎng)，但迄今為止，其應(yīng)用仍僅限于小型通用航空飛機(jī)。毫無(wú)疑問，目前的首要挑戰(zhàn)是電機(jī)過(guò)重而無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用于飛機(jī)上，另外儲(chǔ)電系統(tǒng)的功率密度仍遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的航空煤油。我們將在后文中介紹更多具體的挑戰(zhàn)。不可否認(rèn)，很多事情都在發(fā)生變化。眼下一個(gè)全新的細(xì)分市場(chǎng)“城市空中交通(UAM)”正在逐漸成型。電動(dòng)推進(jìn)裝置讓不少企業(yè)家構(gòu)想出了能在擁擠區(qū)域上空飛行的新型飛機(jī)概念，而蓬勃發(fā)展的無(wú)人機(jī)業(yè)務(wù)則加速了UAM這一細(xì)分市場(chǎng)的發(fā)展。相信它們將很快發(fā)展成熟，并且實(shí)現(xiàn)載人飛行。他們進(jìn)入市場(chǎng)勢(shì)必將促進(jìn)某些供應(yīng)商業(yè)務(wù)發(fā)展，并加快相關(guān)技術(shù)的成熟步伐。

技術(shù)工程挑戰(zhàn)——高功率電氣系統(tǒng)集成

飛機(jī)內(nèi)部的中高功率電氣系統(tǒng)集成對(duì)該行業(yè)而言相對(duì)較新。事實(shí)上，波音 787等飛機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一定程度的電氣化。但這些應(yīng)用也只是采用電力作動(dòng)系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)的液壓作動(dòng)系統(tǒng)，或者采用電動(dòng)泵而非噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)引氣系統(tǒng)為環(huán)境控制系統(tǒng)(ECS)供氣。當(dāng)然，此類應(yīng)用已經(jīng)逐漸為遠(yuǎn)程寬體客機(jī)機(jī)載電氣系統(tǒng)設(shè)立了1或2兆瓦的電功率標(biāo)準(zhǔn)。如今，實(shí)施電力推進(jìn)勢(shì)必需要大幅度增加電功率。圖3顯示了不同類型的飛機(jī)起飛所需的電功率。一架結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、可搭乘4-6人、具有垂直起降 (VTOL)功能的UAM所需的電功率與遠(yuǎn)程寬體客機(jī)相同，而近程客機(jī)的電功率則要高出10-100倍。這其中包含很多含義。新技術(shù)和解決方案必須大幅提高適用于飛機(jī)的電壓和電流等級(jí)。例如，需要采用全新的線束。

功率密度

在飛機(jī)設(shè)計(jì)中，每一千克的重量都影響重大。當(dāng)今工業(yè)電機(jī)的典型功率密度約為每公斤1千瓦(kW/kg)。這樣的功率密度明顯不夠。要成功應(yīng)用電力推進(jìn)裝置(EPU)，該值需要至少增加到每公斤10-15千瓦(kW/kg)。除電機(jī)外，這同理也適用于逆變器等子系統(tǒng)。減重是飛機(jī)設(shè)計(jì)的重中之重。好消息是，目前的電機(jī)和逆變器正在向輕量化發(fā)展。但是，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)且不對(duì)其他設(shè)計(jì)方面（例如熱力學(xué)特性）影響太大，也將是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。在我們目前了解的工業(yè)電中，其電磁特性、電氣特性、結(jié)構(gòu)特性和熱力學(xué)特性均輕度耦合。減重會(huì)導(dǎo)致這一切發(fā)生巨大變化。例如，減少結(jié)構(gòu)雖可以減輕電機(jī)重量，但會(huì)影響其熱容量，使其在短時(shí)間內(nèi)變熱。這進(jìn)而會(huì)引起電磁系統(tǒng)熱變形，反過(guò)來(lái)會(huì)影響電機(jī)效率。或者，為防止永磁體消磁，需要對(duì)散熱提出更嚴(yán)格的要求?？傊?，功率密度越高，相關(guān)物理領(lǐng)域與工程領(lǐng)域之間的相互作用就越緊密。

熱管理

電氣系統(tǒng)需要采用與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)完全不同的散熱方式。在當(dāng)今的飛機(jī)中，不同系統(tǒng)之間的熱交換以準(zhǔn)靜態(tài)方式進(jìn)行，可采用最大熱負(fù)荷開發(fā)方法。在未來(lái)的飛機(jī)中，熱交換將更加復(fù)雜化和動(dòng)態(tài)化，其數(shù)值可能要比現(xiàn)在高5-10倍。目前大多數(shù)的開發(fā)方式都會(huì)造成系統(tǒng)尺寸過(guò)大和飛機(jī)超重。因此，未來(lái)熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要更加智能化。其中應(yīng)包括所有具有熱源或散熱作用的組件，例如推進(jìn)系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、電源裝置、燃料、甚至是機(jī)體構(gòu)。這就需要采用系統(tǒng)級(jí)工程方法，擺脫當(dāng)前孤立的方法，基于從開發(fā)伊始到飛機(jī)交付的全過(guò)程來(lái)定義相應(yīng)的熱管理系統(tǒng)架構(gòu)。

開發(fā)流程相關(guān)挑戰(zhàn)

我們已經(jīng)知道，電氣化會(huì)加劇不同物理領(lǐng)域之間的相互作用，增加飛機(jī)開發(fā)的復(fù)雜性。如前所述，系統(tǒng)自動(dòng)化、嵌入式軟件等新技術(shù)的應(yīng)用也將進(jìn)一步增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性。如今，由于技術(shù)挑戰(zhàn)和企業(yè)原因，飛機(jī)項(xiàng)目很少按時(shí)交付和按預(yù)算交付。因此，為了確保開發(fā)、認(rèn)證和生產(chǎn)等流程可負(fù)擔(dān)且可預(yù)測(cè)，就需要對(duì)現(xiàn)有的開發(fā)流程進(jìn)行范式轉(zhuǎn)換。下面，我們簡(jiǎn)述一下典型飛機(jī)開發(fā)流程中的某些薄弱環(huán)節(jié)會(huì)如何阻礙或延遲創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用。

孤立開發(fā)在性能工程中造成盲點(diǎn)

當(dāng)前飛機(jī)開發(fā)存在的主要問題是，由于規(guī)模龐大和復(fù)雜性高，往往需要分拆整個(gè)項(xiàng)目，由世界各地的合作伙伴分別完成。這樣的工作劃分實(shí)際上是把飛機(jī)當(dāng)成了由相互獨(dú)立的不同系統(tǒng)組成，可在后期簡(jiǎn)單裝配而成。當(dāng)然，各利益相關(guān)方之間也會(huì)經(jīng)常溝通，但通常是基于互不相干的死板數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，即在整個(gè)企業(yè)共享的枯燥文件。電氣部門和ECS部門之間的冷卻預(yù)算就是個(gè)典型的例子，通常用單調(diào)地?cái)?shù)字來(lái)加以說(shuō)明。這種孤立的方法永遠(yuǎn)無(wú)法捕捉不同系統(tǒng)之間動(dòng)態(tài)的物理作用。因此，每個(gè)部門不得不采用安全設(shè)計(jì)余量，以彌補(bǔ)系統(tǒng)對(duì)接的不確定性，而這樣顯然增加了不必要的重量。最終，導(dǎo)致飛機(jī)的綜合性能不佳、集成測(cè)試和認(rèn)證成本增加、操作界面復(fù)雜，嚴(yán)重的話還會(huì)影響正常飛行任務(wù)。下面，我們將通過(guò)兩個(gè)示例來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)。

熱管理

最能說(shuō)明這一問題的示例是如今普遍采用的熱驗(yàn)證方式。各主要部門的熱力工程師顯然已經(jīng)全力以赴，包括使用各種工具，例如有限元分析(FEA)和流體動(dòng)力學(xué)仿真等。但在大多數(shù)情況下，只有飛行試驗(yàn)才能揭示飛機(jī)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)或子系統(tǒng)是否運(yùn)行正常。各部門之間通常利用PDF數(shù)據(jù)（見圖4）進(jìn)行溝通，實(shí)際上排除了考慮不同系統(tǒng)對(duì)接時(shí)動(dòng)態(tài)變化的相互作用。圖4：孤立的開發(fā)方法永遠(yuǎn)無(wú)法捕捉不同系統(tǒng)之間動(dòng)態(tài)的物理作用。動(dòng)態(tài)的基于模型的工程方法有助于全面綜合地看待性能問題。這樣的盲點(diǎn)會(huì)為整個(gè)飛機(jī)開發(fā)項(xiàng)目帶來(lái)很大問題。比如，后期可能需要通過(guò)重新設(shè)計(jì)來(lái)解決相關(guān)問題，最壞的情況可能還需要?jiǎng)?chuàng)建新的鐵鳥試驗(yàn)臺(tái)，即“熱力鐵鳥”。所有這些都可能導(dǎo)致重大項(xiàng)目中斷，產(chǎn)生巨大額外成本，嚴(yán)重影響項(xiàng)目順利執(zhí)行。

電氣系統(tǒng)集成

第二個(gè)示例與電氣系統(tǒng)各方面設(shè)計(jì)有關(guān)，正如之前提到的，這需要更高的功率、電壓和電流。目前，電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)（機(jī)械）、電氣線束設(shè)計(jì)、性能分析以及電磁干擾/電磁兼容性(EMI/EMC)測(cè)試等電氣系統(tǒng)集成測(cè)試都是孤立進(jìn)行的。項(xiàng)目經(jīng)理通常將此視為重大風(fēng)險(xiǎn)。雖然知道工作的起點(diǎn)，但卻永遠(yuǎn)無(wú)法預(yù)知工作的終點(diǎn)。事實(shí)上，EMI/EMC認(rèn)證往往代價(jià)高昂且需要反復(fù)試驗(yàn)。如果某個(gè)原本已經(jīng)在原型樣機(jī)實(shí)施的設(shè)計(jì)不符合EMI/EMC標(biāo)準(zhǔn)，通常需要重新鋪設(shè)各分支系統(tǒng)的線束。這需要更改電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)而更改機(jī)械設(shè)計(jì)，然后才有望提升EMI/EMC性能。而這一切經(jīng)常會(huì)陷入一個(gè)死循環(huán)當(dāng)中（見圖5）。圖5：目前，電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電氣線束設(shè)計(jì)、性能分析和電氣系統(tǒng)集成測(cè)試都是孤立進(jìn)行的。而這一切經(jīng)常會(huì)陷入一個(gè)死循環(huán)當(dāng)中。動(dòng)態(tài)的基于模型的工程方法有助于全面綜合地看待性能問題。

基于模型的可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性

當(dāng)前的手動(dòng)的可靠性、可用性和可維護(hù)性(RAMS)方法是孤立的，使用這種方法無(wú)法跟上系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的復(fù)雜性和相依性（見圖6）。這便導(dǎo)致了因術(shù)語(yǔ)和方法存在差異而引起的設(shè)計(jì)不一致問題。此外，手動(dòng)方法難以擴(kuò)展，使對(duì)RAMS分析的整合成為一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，讓維護(hù)報(bào)告成為一種負(fù)擔(dān)。例如，在這種傳統(tǒng)方法中，對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行故障模式和影響分析(FMEA)的安全工程師必須召集專攻所開發(fā)系統(tǒng)不同方面（電氣、航空電子、軟件、硬件等）的工程師。運(yùn)用制表啟動(dòng)工作并多次召集同一批工程師來(lái)更新和維護(hù)FMEA表是項(xiàng)單調(diào)的任務(wù)，意味著資源分配效率低下，還會(huì)拖慢整個(gè)開發(fā)過(guò)程。基于模型的RAMS流程通過(guò)定義可為各利益相關(guān)方所理解的通用分類法，將系統(tǒng)模型置于分析的中心位置。這樣便可實(shí)現(xiàn)一致、一目了然和高效的故障分析。

基于模型的RAMS分析（風(fēng)險(xiǎn)數(shù)字孿生）讓工程師能夠在各學(xué)科和部門之間更好地進(jìn)行協(xié)同，將RAMS分析自動(dòng)化和數(shù)字化，并減少錯(cuò)誤。該模型包含產(chǎn)品的功能和邏輯模型、對(duì)故障、故障原因和機(jī)制、故障操作條件進(jìn)行描述的完整分類以及故障如何傳播的模型?；谠擄L(fēng)險(xiǎn)數(shù)字孿生，從設(shè)計(jì)早期階段便可進(jìn)行廣泛的RAMS分析。

因此，不斷增加的飛機(jī)復(fù)雜性要求迅速過(guò)渡到基于模型的方法和自動(dòng)化方法，即所謂的基于模型的風(fēng)險(xiǎn)數(shù)字孿生。

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全新的飛機(jī)工程方法

我們提到的這些技術(shù)難題和流程難題是當(dāng)前飛機(jī)開發(fā)流程、甚至未來(lái)電氣化轉(zhuǎn)型流程所固有的。這些難題只能通過(guò)對(duì)各個(gè)方面普遍采用數(shù)字化的方式來(lái)解決。在技術(shù)方面，需要采用具有預(yù)測(cè)能力的方法以達(dá)到突破性的功率密度，對(duì)全新的飛機(jī)構(gòu)型和架構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，還要具備成功解決所有熱問題的能力以及解決與新技術(shù)相關(guān)的安全性和可靠性難題。在流程方面，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)囊括所有相關(guān)學(xué)科和物理領(lǐng)域的平臺(tái)，同時(shí)持續(xù)跟蹤開發(fā)工作流程、工程決策和所采取的驗(yàn)證措施。我們提到過(guò)全面的數(shù)字孿生和數(shù)字主線（見圖 7）。在本節(jié)中，我們將詳細(xì)介紹如何使用西門子的綜合性、集成式軟件、硬件和服務(wù)產(chǎn)品組合Siemens Xcelerator來(lái)幫助您部署必要的基礎(chǔ)架構(gòu)和解決方案。

Siemens Digital Industries Software產(chǎn)品組合中的數(shù)字孿生和數(shù)字主線解決方案在顯著改善航空航天項(xiàng)目執(zhí)行方面擁有久經(jīng)驗(yàn)證的業(yè)績(jī)記錄。作為極為注重創(chuàng)新的全球行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，西門子致力于提供各種解決方案，幫助包括航空業(yè)在內(nèi)的整個(gè)交通運(yùn)輸業(yè)深化數(shù)字化轉(zhuǎn)型。通過(guò)大量投資研發(fā) (R&D)、建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系和收購(gòu)擁有數(shù)十年行業(yè)工程專業(yè)經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)先驅(qū)公司，西門子已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。Simcenter軟件和硬件解決方案組合中的一個(gè)重要組成部分，就是將仿真與各種性能工程測(cè)試工具及服務(wù)良好結(jié)合的綜合性平臺(tái)。通過(guò)使用 Simcenter，航空工程師可以模擬、深入了解并優(yōu)化未來(lái)飛機(jī)所有組件的物理行為，包括結(jié)構(gòu)開發(fā)、流體與傳熱、系統(tǒng)開發(fā)、熱管理、機(jī)艙舒適性、電磁與集成、驗(yàn)證和認(rèn)證測(cè)試等。Simcenter環(huán)境中集成了多種解決方案，可提供各種可擴(kuò)展的建模方法，從組件級(jí)別到集成飛機(jī)級(jí)別，從低保真到高保真表示，應(yīng)有盡有。因此，Simcenter可用于支持從概念設(shè)計(jì)、權(quán)衡研究、詳細(xì)設(shè)計(jì)到驗(yàn)證階段的整個(gè)開發(fā)流程，涵蓋涉及的所有物理領(lǐng)域和學(xué)科，且完全支持?jǐn)?shù)字孿生/數(shù)字主線范式。圖8顯示了Simcenter軟件的應(yīng)用領(lǐng)域。在后續(xù)章節(jié)中，我們會(huì)重點(diǎn)介紹其對(duì)于未來(lái)飛機(jī)性能工程的重要意義。

圖8：Simcenter產(chǎn)品組合所支持的飛機(jī)性能工程領(lǐng)域。此外，使用Simcenter還能夠連接Siemens Xcelerator Share。借助這一以工程為中心并且尤為適合協(xié)同的云解決方案，各種規(guī)模的團(tuán)隊(duì)都可以通過(guò)合適的訪問控制與包括設(shè)計(jì)師、經(jīng)理、測(cè)試工程師、供應(yīng)商以及客戶在內(nèi)的關(guān)鍵利益相關(guān)方展開安全合作。這樣便打造了以項(xiàng)目為基礎(chǔ)的可擴(kuò)展工作空間，支持更靈活地開發(fā)產(chǎn)品。項(xiàng)目成員可以隨時(shí)在任意設(shè)備上查看和批注設(shè)計(jì)、共享仿真模板并審核仿真結(jié)果。

采用基于模型的系統(tǒng)工程消除孤島效應(yīng)

前面所列舉的熱管理和電氣系統(tǒng)集成示例已經(jīng)證明，孤立開發(fā)方法會(huì)嚴(yán)重影響甚至威脅整個(gè)項(xiàng)目的成功。因此，我們必須盡早了解集成飛機(jī)的各種動(dòng)態(tài)行為，特別是在電氣化和其他新技術(shù)帶來(lái)更多復(fù)雜性和多物理場(chǎng)的情況下。在當(dāng)前的飛機(jī)開發(fā)流程中，往往到了飛行試驗(yàn)階段才會(huì)發(fā)現(xiàn)集成方面的問題，此時(shí)可能為時(shí)已晚。為了控制未來(lái)飛機(jī)的開發(fā)成本，必須要改變這一點(diǎn)。從概念設(shè)計(jì)階段開始，就有必要對(duì)飛機(jī)有個(gè)整體認(rèn)識(shí)。為此，所有以前的孤島都必須換用行為模型，并加強(qiáng)彼此間的協(xié)同，制定實(shí)施統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，包括如何構(gòu)建模型、如何表示模型及模型如何通過(guò)明確定義的接口與相鄰系統(tǒng)或其他學(xué)科進(jìn)行交互。設(shè)計(jì)中還涉及了眾多子模型，包括大量的物理學(xué)和數(shù)學(xué)原理，因此如何選用正確的工具和方法進(jìn)行集成式綜合就十分關(guān)鍵。為此，西門子的Simcenter提供了專用的虛擬集成飛機(jī)(VIA)和虛擬鐵鳥(VIB)策略。在后文中，我們將介紹這些解決方案的性質(zhì)和范圍。

利用現(xiàn)成的航空模型

構(gòu)建VIA本身就是一項(xiàng)巨大工程。毫無(wú)疑問，花在模型分析上的時(shí)間遠(yuǎn)比花在對(duì)飛機(jī)各單個(gè)系統(tǒng)的物理模型進(jìn)行編程上的時(shí)間更有價(jià)值。在建立仿真時(shí)，工程師經(jīng)常會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間重構(gòu)機(jī)輪，而實(shí)際上，他們只需在現(xiàn)有的虛擬模型表示上做些微調(diào)即可。Simcenter本身就附帶許多典型飛機(jī)系統(tǒng)的模型庫(kù)，并且都已經(jīng)過(guò)了主要飛機(jī)總裝集成企業(yè)、供應(yīng)商和學(xué)術(shù)合作伙伴的驗(yàn)證。對(duì)于電氣系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、飛行控制、起落架等組件，模型庫(kù)提供完備齊全的模型，可輕松應(yīng)對(duì)全新的飛機(jī)構(gòu)型需要，例如混合電力推進(jìn)系統(tǒng)。借助這些模型庫(kù)，飛機(jī)設(shè)計(jì)工程師可將全部精力投入到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，而不是浪費(fèi)在物理模型編程上。您可以更早更好地開展權(quán)衡研究，深入分析未來(lái)飛機(jī)到底需要什么樣的理想結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)架構(gòu)。在大型項(xiàng)目中，這一點(diǎn)的重要性不可低估。更早、更好、更深入地了解集成飛機(jī)，您就會(huì)做出更有利的選擇，從而顯著降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)、減少整個(gè)項(xiàng)目周期累積的返工。更重要的是，Simcenter是一個(gè)開放型平臺(tái)，可以無(wú)縫輸入其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工具的數(shù)據(jù)。因此，航空工程師可以輕松地將標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的組件與他們現(xiàn)有的模型相結(jié)合，最大限度提高設(shè)計(jì)工作效率。

根據(jù)工程需要靈活縮放模型

VIA并非一個(gè)全包式模型，而是各種組件模型、數(shù)據(jù)和參數(shù)的集合，它們的表現(xiàn)方式各不相同，而且在整個(gè)開發(fā)周期中還會(huì)不斷發(fā)生變化。良好的 VIA平臺(tái)可以讓工程師以完全匹配項(xiàng)目需求的形式或規(guī)模選擇并組合各類子系統(tǒng)。Simcenter提供一系列兼容的解決方案，是VIA可擴(kuò)展平臺(tái)的理想之選。

從粗略模型到詳細(xì)開發(fā)

在早期的架構(gòu)權(quán)衡研究中，工程師往往無(wú)從得知詳細(xì)的設(shè)計(jì)參數(shù)，故而不得不使用粗略模型做出初始決策。到了開發(fā)后期，在掌握了更多物理場(chǎng)詳細(xì)信息時(shí)，您就可以通過(guò)深度仿真進(jìn)一步完善這些決策。

圖9：所有以前的孤島都必須換用行為模型，并加強(qiáng)彼此間的協(xié)同，制定實(shí)施統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，包括如何構(gòu)建模型、如何表示模型及模型如何通過(guò)明確定義的接口與相鄰系統(tǒng)或其他學(xué)科進(jìn)行交互。為此，西門子的Simcenter提供了專用的虛擬集成飛機(jī)和虛擬鐵鳥策略。在此期間，應(yīng)用程序也在模型選擇上發(fā)揮著一定的作用。在運(yùn)行計(jì)算時(shí)，模型中的詳細(xì)信息量不能過(guò)大，也不能過(guò)小，以保證精確度足夠、粒度正確，與建模意圖保持一致。當(dāng)然，這方面的要求視具體的應(yīng)用程序而定。因此，選擇合適的工具就十分關(guān)鍵，既要能夠根據(jù)項(xiàng)目需要輕松調(diào)整信息詳細(xì)程度，同時(shí)又要確保始終使用相同的基本模型。Simcenter在這方面具有極大的靈活性。

從組件級(jí)別到集成飛機(jī)級(jí)別

各種仿真功能和庫(kù)本身既是飛機(jī)各系統(tǒng)及其組件建模必不可少的組成部分，同時(shí)也是集成飛機(jī)的重要部分。這可能需要這些組件和參數(shù)采用各不相同的表現(xiàn)形式或抽象級(jí)別。例如，了解飛機(jī)制動(dòng)伺服閥的詳細(xì)物理行為非常重要。但同樣重要的是，我們可能需要選取該模型并將其向上一級(jí)集成到制動(dòng)系統(tǒng)中，然后再向上一級(jí)集成到起落架中。理解系統(tǒng)對(duì)其子系統(tǒng)或組件的潛在故障的反應(yīng)也非常重要?；诖?，RAMS功能可幫助用戶在早期設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)故障。我們的最終目的是了解伺服閥如何在整機(jī)級(jí)別成功中斷飛機(jī)起飛。在Simcenter中，工程師可以查找各種嵌入式應(yīng)用程序知識(shí)以及行業(yè)專業(yè)知識(shí)，幫助他們?yōu)槊糠N應(yīng)用程序選擇合適的模型表示。

從早期概念設(shè)計(jì)到成果驗(yàn)證階段

仿真的范圍并不局限于飛機(jī)的開發(fā)。實(shí)踐證明，如果能夠?qū)?shù)據(jù)連續(xù)性一直延續(xù)到驗(yàn)證階段之前，則通過(guò)仿真還可以幫助降低相關(guān)認(rèn)證成本。這一點(diǎn)既適用于結(jié)構(gòu)認(rèn)證和系統(tǒng)認(rèn)證，也適用于控制策略和軟件驗(yàn)證方案的認(rèn)證，例如模型在環(huán)(MiL)、軟件在環(huán)(SiL)、硬件在環(huán)(HiL)和飛行員在環(huán)測(cè)試。因此，通常需要對(duì)物理模型（無(wú)論是詳細(xì)模型或是粗略模型）進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)測(cè)試需要。通常，需要調(diào)整模型以使其實(shí)時(shí)運(yùn)行，從而確保模型在整個(gè)V循環(huán)中的連續(xù)性。

圖10：基于模型的風(fēng)險(xiǎn)數(shù)字孿生包含嵌入一系列建模方面相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)信息，可支持設(shè)計(jì)RAMS流程。Simcenter是兼具仿真和測(cè)試功能的平臺(tái)，提供許多讓工程師在驗(yàn)證階段有效使用模型的技術(shù)和方法。顯然，這些模型的配置需要與待認(rèn)證的設(shè)計(jì)思想保持完全一致。為此，Simcenter還提供了一套驗(yàn)證流程，包括多種在托管環(huán)境中加快數(shù)據(jù)集對(duì)比速度的方法，通過(guò)保持驗(yàn)證管理數(shù)字主線來(lái)確保可跟蹤性。風(fēng)險(xiǎn)數(shù)字孿生是從整機(jī)到組件級(jí)別的系統(tǒng)1D表示。在該模型中，我們可以從初始狀態(tài)開始傳播系統(tǒng)中的故障并跟蹤風(fēng)險(xiǎn)的后果，因此在早期開發(fā)階段便可充分了解風(fēng)險(xiǎn)。Simcenter基于模型的RAMS功能可創(chuàng)建風(fēng)險(xiǎn)數(shù)字孿生。用戶可以重點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)健全的系統(tǒng)模型并提供準(zhǔn)確的操作條件。在基于標(biāo)準(zhǔn)的模板文檔中，可以自動(dòng)完成并輕松導(dǎo)出RAMS分析（如FMEA)、故障樹分析和可靠性方塊圖。這有助于縮短開發(fā)時(shí)間，加快整體設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過(guò)程。

深度覆蓋各種應(yīng)用程序

如前所述，在未來(lái)飛機(jī)開發(fā)中，功率密度、熱管理和安全性等方面的技術(shù)挑戰(zhàn)不容小覷。即便是成功的創(chuàng)新合作伙伴也無(wú)法精通所有學(xué)科。恰恰相反，您應(yīng)將重點(diǎn)放在消除孤島效應(yīng)和提供全面解決方案上，確保為每個(gè)學(xué)科提供先進(jìn)的解決方案。為此，西門子投資了多家技術(shù)公司，整合了一系列應(yīng)用程序必需的預(yù)處理和后處理功能以及功能強(qiáng)大的高性能求解器，并將它們?nèi)績(jī)?nèi)置于 Simcenter平臺(tái)中。

充分利用仿真模型

建立精確的仿真模型是一項(xiàng)巨大工程。因此，建立完模型后，就要充分發(fā)揮它們的全部潛力。但在大多數(shù)情況下，這些模型僅用于完善和驗(yàn)證特定的預(yù)選設(shè)計(jì)項(xiàng)目，而不是用于促進(jìn)決策?，F(xiàn)在，借助先進(jìn)技術(shù)，工程師可以采用完全參數(shù)化的方式進(jìn)行產(chǎn)品定義，將基于仿真的性能分析輕松應(yīng)用于設(shè)計(jì)工作，從而進(jìn)行全面的設(shè)計(jì)探索。在流程中不斷添加全新的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)選項(xiàng)，例如拓?fù)鋬?yōu)化、架構(gòu)方法、集成系統(tǒng)選擇，就可以在概念設(shè)計(jì)、規(guī)模預(yù)設(shè)和詳細(xì)設(shè)計(jì)等方面帶來(lái)極大便利。Simcenter囊括了用于設(shè)計(jì)探索的各種工具，提供了一個(gè)融仿真方法和通用設(shè)計(jì)功能為一體的平臺(tái)，可幫助航空工程師建立有效的高性能設(shè)計(jì)流程。

充分發(fā)揮仿真與測(cè)試的協(xié)同作用

最后，實(shí)現(xiàn)電氣化以及引入包括軟件和電子系統(tǒng)在內(nèi)的創(chuàng)新技術(shù)將大幅增加參數(shù)數(shù)量，從而大幅增加飛機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和認(rèn)證的復(fù)雜性。盡管這些工作可能需要進(jìn)行更多仿真，但同時(shí)也會(huì)持續(xù)增加測(cè)試部門的工作量。這聽起來(lái)可能有點(diǎn)矛盾，尤其是在采用數(shù)字孿生和數(shù)字主線等先進(jìn)技術(shù)的情況下，但其實(shí)一點(diǎn)也不矛盾。恰恰相反，測(cè)試工作是全面數(shù)字孿生系統(tǒng)的重要組成部分，貫穿整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和認(rèn)證期間。仿真與測(cè)試流程的緊密集成對(duì)于作為預(yù)測(cè)方法的全面數(shù)字孿生的成功十分關(guān)鍵。

在早期開發(fā)階段，數(shù)字孿生的價(jià)值在很大程度上取決于可實(shí)現(xiàn)的建模逼真程度。因此，在此期間，真實(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)是確認(rèn)建模精度的關(guān)鍵。逼真的仿真需要對(duì)各個(gè)組件、材料、邊界條件等進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了用于標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)相關(guān)性分析和模型更新所進(jìn)行的精確數(shù)據(jù)測(cè)量的范圍。測(cè)試工作可讓航空工程師進(jìn)一步探索未知的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，并深入了解有關(guān)新材料以及機(jī)電一體化組件隨附的其他參數(shù)，這通常又要涉及多個(gè)物理場(chǎng)，并且需要采用創(chuàng)新測(cè)試方法。在開發(fā)周期結(jié)束時(shí)，尤其是在認(rèn)證過(guò)程中，情況會(huì)有所不同，因?yàn)闇y(cè)試工作通常成了工作重心。與此同時(shí)，各種壓力也會(huì)與日俱增。原型樣機(jī)和測(cè)試用基礎(chǔ)設(shè)施成本高昂，后期發(fā)現(xiàn)的缺陷會(huì)直接影響飛機(jī)的上市進(jìn)程。隨著飛機(jī)復(fù)雜性日益增加，包括交付后的更新，再加上各種產(chǎn)品變型、參數(shù)、工作點(diǎn)等，這一領(lǐng)域的工作份額預(yù)計(jì)會(huì)進(jìn)一步加大。在此階段，仿真可以為傳統(tǒng)的測(cè)試流程提供很大助力。實(shí)際上，虛擬測(cè)試在認(rèn)證過(guò)程中的作用日益突出。但是在獲頒適航證方面仍然存在不少限制，管理部門會(huì)始終要求飛機(jī)總裝集成企業(yè)提供相關(guān)證明，證實(shí)其仿真中的建模假設(shè)正確無(wú)誤。因此，西門子堅(jiān)信，應(yīng)加強(qiáng)研究如何將物理測(cè)試和虛擬測(cè)試良好結(jié)合，以及如何通過(guò)兩者的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)、效果更好的驗(yàn)證和認(rèn)證流程。例如，仿真有助于定義理想的測(cè)試配置。通常，采用模擬元素可以簡(jiǎn)化物理測(cè)試臺(tái)并補(bǔ)充物理測(cè)試的不足部分。這樣可以減少測(cè)試設(shè)置成本，降低測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)。這僅是其中一個(gè)例子。

從這個(gè)意義上講，Simcenter提供了別具特色的環(huán)境，因?yàn)樗悄壳笆袌?chǎng)上難得的直接集物理測(cè)試與系統(tǒng)仿真、3D計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)和3D計(jì)算流體力學(xué)(CFD)于一體的產(chǎn)品組合。

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結(jié)語(yǔ)

作為Siemens Xcelerator的一部分，Simcenter解決方案組合提供一整套全面、可擴(kuò)展、便于協(xié)同的工具，支持動(dòng)態(tài)、基于模型的性能工程，可將從概念設(shè)計(jì)到認(rèn)證的所有飛機(jī)開發(fā)流程集成到同一個(gè)平臺(tái)上，且具有完全可追溯性。從開發(fā)周期的初始階段，Simcenter支持用戶為整機(jī)創(chuàng)建全面的數(shù)字孿生或VIA，從而避免孤立的開發(fā)工作。所有模型均可隨意擴(kuò)展，且可隨著數(shù)據(jù)不斷增多或根據(jù)特定仿真需求進(jìn)一步完善。在后期階段，當(dāng)開發(fā)工作進(jìn)入到詳細(xì)的性能工程和需求驗(yàn)證階段時(shí)，Simcenter會(huì)為所有涉及的學(xué)科提供先進(jìn)的、特定于應(yīng)用的解決方案。這些可以與其他高性能測(cè)試解決方案結(jié)合使用，進(jìn)行模型驗(yàn)證或提高模型的逼真程度。最終，Simcenter仿真模型可以作為飛機(jī)認(rèn)證甚至后續(xù)虛擬測(cè)試和輔助物理測(cè)試的基礎(chǔ)。由于所有這些解決方案均集成在同一個(gè)與設(shè)計(jì)相連的平臺(tái)中，因此可以使用Simcenter創(chuàng)建跨越整個(gè)開發(fā)周期的數(shù)字主線。這樣有助于進(jìn)行更深入的設(shè)計(jì)探索，并提供諸如拓?fù)鋬?yōu)化、創(chuàng)成式設(shè)計(jì)等方法，用于體系架構(gòu)和集成系統(tǒng)的選擇。至此，Simcenter即可將以驗(yàn)證為中心的傳統(tǒng)開發(fā)過(guò)程轉(zhuǎn)變成為以預(yù)測(cè)為中心的全面數(shù)字孿生開發(fā)過(guò)程。借助Simcenter，工程師可以充分發(fā)揮仿真的作用。想要了解更多Simcenter產(chǎn)品信息，歡迎聯(lián)系貝思科爾！