航空航天飞行器研制是一项复杂的系统工程,需要对飞行器进行系统分析、方案设计与性能评估,研制周期长、风险大、为了应对这种挑战,航天国防相关企业正从基于文档的、孤岛式的传统系统工程研制模式向基于模型的数字化协同研制模式进行转型,这种新的研制模式采用的是基于模型的系统工程的方法。

一.达索系统基于MBSE的仿真技术整体发展策略

以数字孪生、基于模型、数据驱动及数据连续作为达索系统3DEXPERIENCE平台的重要使能技术,达索系统3DEXPERIENCE平台仿真技术的发展将会朝着基于MBSE的多物理、多学科、多尺度方向多方面发展。多尺度的方面,将会覆盖从功能、逻辑、物理(宏观连续)、材料科学、分子/原子物理(微观不连续)多个领域;从多物理/多学科方面,将会覆盖结构、热、流体、电磁、控制、地理、生物、化学等。

达索系统基于3DEXPERIENCE平台的仿真技术体系支持体系论证、系统设计、分系统设计和行业设计的整个设计过程。

•在体系论证阶段和系统设计阶段,Magic Enterprise Architect(CAMEO)提供了体系级、系统级的体系架构仿真能力;

•在分系统设计阶段,Dymola提供了分系统多行业协同仿真的能力;

•在设计阶段,CATIA、SIMULIA提供了各种行业仿真工具实现多学科仿真。

基于3DEXPERIENCE平台,四个仿真层次可以有效结合,无缝链接,实现上下游之间的模型驱动与数据连续,构建航天型号研制仿真技术的端到端的解决方案。

 

 

二.基于No Magic的体系级和系统级仿真技术

CAMEO企业架构设计解决方案支持基于模型的体系设计,支持定义任务场景及策略,然后识别出能力和能力需求,可以仿真任务场景,验证是否能力满足任务目标;同时支持定义多解决方案,基于体系运行场景,进行权衡分析确定在特定运行场景下的配置方案,生成体系架构和体系设计规范,供下游系统设计作为输入。支持UAF、UPDM、 NAF、DoDAF MoDAF、BPMN标准简化整个供应链的资源选择。

 

三.基于Dymola的协同仿真

在CAMEO中完成系统架构定义和接口关系后,把体系架构和参数指标参数传递到Dymola中进行针对系统的行为仿真模型定义(基于Modelica语言、C语言直接建模,基于FMI接口规范Matlab/Simulink模型集成和基于数值模型文件的模型定义),能够支持系统级设计与系统仿真和设计与仿真协同,实现机械,电气,电子,液压,热传导,控制,电力驱动跨系统仿真,实现多学科系统集成与综合仿真分析,并实现仿真结果对系统仿真的迭代反馈。

 

四.Abaqus结构仿真解决方案

在航天器研制的过程中,CAE技术可广泛应用于飞行器各阶段中各类零部件、组件,全机的设计、分析、实验、仿真、测试和故障诊断、制造和维护。通过计算机的CAE分析和虚拟试验可以知道、简化、减少或替代部分实验测试。达索系统SIMULIA是有名CAE品牌,覆盖了结构强度、多体动力学、结构疲劳、流体力学、噪声、电磁、多目标优化、拓扑优化等解决方案,其中Abaqus以解决实际工业问题能力和强大的非线性功能赢得广泛声誉。

达索系统仿真解决方案中,对航天很多复杂和特殊的问题,如充气式登月舱、卫星支架、分光镜设计、药柱、密封结构、烧蚀、振动冲击、焊脚低周疲劳、振动 - 噪声、冲击动力学、爆炸螺栓、返回舱水面降落、气囊展开、箭体分离、喷嘴、降落伞、襟翼连接件设计、热管理、电磁与热、结构耦合、柔性展开机构、相机运动机构、帆板展开、星箭分离、火星车、硬件在环实时仿真、支架拓扑优化等问题进行了技术分析。

 

由于空气动力学载荷,机翼上产生的应力分布

五.CST电磁仿真解决方案

随着技术不断的发展,达索系统 SIMULIA 的电磁解决方案,结合CST 成熟平台已形成了 EMC 仿真领域中算法多、有效的三维全波段电磁场仿真工具,覆盖静场、简谐场、瞬态场、微波毫米场、光波直到高能带电粒子的全电磁场频段的时域频域全波段仿真解决方案。CST面向航天领域的电磁仿真解决方案详细介绍了航天飞行器设计过程中涉及到天线及RCS, 微波射频组件和电磁环境效应的分析和仿真。

 

典型雷击分析

六.PowerFLOW与XFlow流体解决方案

达索系统仿真解决方案不仅可以模拟航天器外部涉及的气弹与颤振、气动加热、分离等多物理场耦合问题,还可以妥善解决航天器内部复杂系统的流体、结构、热的多物理场耦合问题。噪声是飞行器面临开发难题之一。达索系统设计的eVTOL(垂直起降飞行器)概念飞机采用SIMULIA PowerFLOW CFD求解器对该飞机的噪声水平进行分析,并采用噪声半球数据库(NHD)外插值的方法对航迹进行优化。飞行包络模拟考虑了飞行马赫数、攻角、后旋翼倾角以及四副旋翼转速的不同组合。修正后的飞行航迹被定义为航点、俯仰、偏航、滚转、倾角与旋翼RPM的时间序列。航迹上的每个点都定义了准静态修正条件,重力和气动阻力由机翼和旋翼产生的升力和推力平衡。矩形面上的噪声预测可通过运行NHD后获得。下图为飞行速度、下滑角和旋翼RPM相同条件下,不同旋翼倾角下的瞬态声场。

 

此外,对于小空间内的起降,其机动性亦是问题。机动性往往牵涉到移动部件,如升降舵、副翼、倾斜旋翼或伸缩旋翼。SIMULIA XFlow具备求解复杂流固耦合问题的能力,能够模拟多达六个自由度的刚体动力学行为,因此可以仿真不同的飞行场景和风扰动,以分析eVTOL的动态响应,并缩短其恢复到稳定姿态所用的时间。利用SIMULIA XFlow, 可为eVTOL俯仰、失速、旋转等机动性能的预测,提供仿真支持。

 

七.多学科流程自动化与优化解决方案

达索系统Isight提供了一个可视化的灵活的仿真流程搭建平台,同时提供与多种主流CAE分析工具的专用接口,利用此工具,用户可以方便的以拖拽的方式可视化的快速建立仿真分析流程,设定和修改设计变量以及设计约束与目标,自动进行多次分析循环。

同时,提供了试验设计、优化方法、近似模型和六西格玛设计等一套完整的优化软件包,来帮助用户深入了解产品的设计空间,明晰设计变量与设计目标之间的关系,以及实现多学科多目标优化设计。Isight在航天领域,尤其在航天产品总体概念设计阶段所提供的多学科流程自动化及优化方案,涉及到航天飞行器、火箭、导弹等的结构、光学、电磁以及噪声等学科。

 

八.SPDM仿真平台解决方案及应用

达索系统仿真平台为企业提供稳定的仿真数据管理解决方案,可以方便和企业平台上的系统协同工作。将仿真更好地整合到产品开发过程中,从浩瀚的数据海洋中快速地找到及时和完整的数据,以工程目标为依据,准确地评估设计方案的性能,将仿真专家的个人知识转变为企业内部共享的知识, 使跟踪仿真过程成为可能,进而实现跨领域的合作,以服务于产品设计决策。达索系统3DEXPERIENCE平台面向航天行业提供的仿真数据及流程管理解决方案可以在打通学科之间的数据壁垒、仿真体系建设和仿真知识沉淀等方面提供强有力的技术支撑。

 

航空航天飞行器研制是一项复杂的系统工程,需要对飞行器进行系统分析、方案设计与性能评估,研制周期长,风险大,为了应对这种挑战,航天国防相关企业正从基于文档的、孤岛式的传统系统工程研制模式向基于模型的数字化协同研制模式进行转型,这种新的研制模式采用的是基于模型的系统工程的方法。

一.达索系统基于MBSE的仿真技术整体发展策略

以数字孪生、基于模型、数据驱动及数据连续作为达索系统3DEXPERIENCE平台的重要使能技术,达索系统3DEXPERIENCE平台仿真技术的发展将会朝着基于MBSE的多物理、多学科、多尺度方向多方面发展。多尺度的方面,将会覆盖从功能、逻辑、物理(宏观连续)、材料科学、分子/原子物理(微观不连续)多个领域;从多物理/多学科方面,将会覆盖结构、热、流体、电磁、控制、地理、生物、化学等。

达索系统基于3DEXPERIENCE平台的仿真技术体系支持体系论证、系统设计、分系统设计和行业设计的整个设计过程。

•在体系论证阶段和系统设计阶段,Magic Enterprise Architect(CAMEO)提供了体系级、系统级的体系架构仿真能力;

•在分系统设计阶段,Dymola提供了分系统多行业协同仿真的能力;

•在设计阶段,CATIA、SIMULIA提供了各种行业仿真工具实现多学科仿真。

基于3DEXPERIENCE平台,四个仿真层次可以有效结合,无缝链接,实现上下游之间的模型驱动与数据连续,构建航天型号研制仿真技术的端到端的解决方案。

二.基于No Magic的体系级和系统级仿真技术

CAMEO企业架构设计解决方案支持基于模型的体系设计,支持定义任务场景及策略,然后识别出能力和能力需求,可以仿真任务场景,验证是否能力满足任务目标;同时支持定义多解决方案,基于体系运行场景,进行权衡分析确定在特定运行场景下的配置方案,生成体系架构和体系设计规范,供下游系统设计作为输入。支持UAF、 UPDM 、NAF、DoDAF、 MoDAF、BPMN标准简化整个供应链的资源选择。

三.基于Dymola的协同仿真

在CAMEO中完成系统架构定义和接口关系后,把体系架构和参数指标参数传递到Dymola中进行针对系统的行为仿真模型定义(基于Modelica语言、C语言直接建模,基于FMI接口规范Matlab/Simulink模型集成和基于数值模型文件的模型定义),能够支持系统级设计与系统仿真和设计与仿真协同,实现机械、电气、电子、液压、热传导、控制、电力驱动跨系统仿真,实现多学科系统集成与综合仿真分析,并实现仿真结果对系统仿真的迭代反馈。

四.Abaqus结构仿真解决方案

在航天器研制的过程中,CAE技术可广泛应用于飞行器各阶段中各类零部件、组件、全机的设计、分析、实验、仿真、测试和故障诊断、制造和维护。通过计算机的CAE分析和虚拟试验可以知道、简化、减少或替代部分实验测试。达索系统SIMULIA是有名CAE品牌,覆盖了结构强度、多体动力学、结构疲劳、流体力学、噪声、电磁、多目标优化、拓扑优化等解决方案,其中Abaqus以解决实际工业问题能力和强大的非线性功能赢得广泛声誉。

达索系统仿真解决方案中,对航天很多复杂和特殊的问题,如充气式登月舱、卫星支架、分光镜设计、药柱、密封结构、烧蚀、振动冲击、焊脚低周疲劳、振动 - 噪声、冲击动力学、爆炸螺栓、返回舱水面降落、气囊展开、箭体分离、喷嘴、降落伞、襟翼连接件设计、热管理、电磁与热、结构耦合、柔性展开机构、相机运动机构、帆板展开、星箭分离、火星车、硬件在环实时仿真、支架拓扑优化等问题进行了技术分析。

 

由于空气动力学载荷,机翼上产生的应力分布

五.CST电磁仿真解决方案

随着技术不断的发展,达索系统 SIMULIA 的电磁解决方案,结合CST 成熟平台已形成了 EMC 仿真领域中算法多、有效的三维全波段电磁场仿真工具,覆盖静场、简谐场、瞬态场、微波毫米场、光波直到高能带电粒子的全电磁场频段的时域频域全波段仿真解决方案。CST面向航天领域的电磁仿真解决方案详细介绍了航天飞行器设计过程中涉及到天线及RCS, 微波射频组件和电磁环境效应的分析和仿真。

 

典型雷击分析

六.PowerFLOW与XFlow流体解决方案

达索系统仿真解决方案不仅可以模拟航天器外部涉及的气弹与颤振、气动加热、分离等多物理场耦合问题,还可以妥善解决航天器内部复杂系统的流体、结构、热的多物理场耦合问题。噪声是飞行器面临开发难题之一。达索系统设计的eVTOL(垂直起降飞行器)概念飞机采用SIMULIA PowerFLOW CFD求解器对该飞机的噪声水平进行分析,并采用噪声半球数据库(NHD)外插值的方法对航迹进行优化。飞行包络模拟考虑了飞行马赫数、攻角、后旋翼倾角以及四副旋翼转速的不同组合。修正后的飞行航迹被定义为航点、俯仰、偏航、滚转、倾角与旋翼RPM的时间序列。航迹上的每个点都定义了准静态修正条件,重力和气动阻力由机翼和旋翼产生的升力和推力平衡。矩形面上的噪声预测可通过运行NHD后获得。下图为飞行速度、下滑角和旋翼RPM相同条件下,不同旋翼倾角下的瞬态声场。

 

此外,对于小空间内的起降,其机动性亦是问题。机动性往往牵涉到移动部件,如升降舵、副翼、倾斜旋翼或伸缩旋翼。SIMULIA XFlow具备求解复杂流固耦合问题的能力,能够模拟多达六个自由度的刚体动力学行为,因此可以仿真不同的飞行场景和风扰动,以分析eVTOL的动态响应,并缩短其恢复到稳定姿态所用的时间。利用SIMULIA XFlow, 可为eVTOL俯仰、失速、旋转等机动性能的预测,提供仿真支持。

七.多学科流程自动化与优化解决方案

达索系统Isight提供了一个可视化的灵活的仿真流程搭建平台,同时提供与多种主流CAE分析工具的专用接口,利用此工具,用户可以方便的以拖拽的方式可视化的快速建立仿真分析流程,设定和修改设计变量以及设计约束与目标,自动进行多次分析循环。

同时,提供了试验设计、优化方法、近似模型和六西格玛设计等一套完整的优化软件包,来帮助用户深入了解产品的设计空间,明晰设计变量与设计目标之间的关系,以及实现多学科多目标优化设计。Isight在航天领域,尤其在航天产品总体概念设计阶段所提供的多学科流程自动化及优化方案,涉及到航天飞行器、火箭、导弹等的结构、光学、电磁以及噪声等学科。

八.SPDM仿真平台解决方案及应用

达索系统仿真平台为企业提供稳定的仿真数据管理解决方案,可以方便和企业平台上的系统协同工作。将仿真更好地整合到产品开发过程中,从浩瀚的数据海洋中快速地找到及时和完整的数据,以工程目标为依据,准确地评估设计方案的性能,将仿真专家的个人知识转变为企业内部共享的知识, 使跟踪仿真过程成为可能,进而实现跨领域的合作,以服务于产品设计决策。达索系统3DEXPERIENCE平台面向航天行业提供的仿真数据及流程管理解决方案可以在打通学科之间的数据壁垒、仿真体系建设和仿真知识沉淀等方面提供强有力的技术支撑。

 

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