虛擬鐵鳥的建模和仿真解決方案及案例

飛機是一個龐大而復雜系統(tǒng)，其研制是一個系統(tǒng)工程，涉及機械、電氣、自動控制、液壓、氣動等多學科領(lǐng)域。需求的發(fā)展對飛機的研發(fā)提出了更高的要求，在研制中實現(xiàn)性能、成本和研發(fā)周期三方面的最佳統(tǒng)一，是航空業(yè)所面臨的巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的設(shè)計-試驗的研發(fā)模式，耗時耗力，已經(jīng)不能滿足飛機研發(fā)的要求。建立包括需求管理、架構(gòu)設(shè)計、功能樣機建模與優(yōu)化、數(shù)字樣機設(shè)計、性能樣機驗證、數(shù)字化裝配與工藝設(shè)計、交互式設(shè)計成果展示的數(shù)字化綜合仿真平臺，已經(jīng)成為國際上主流航空航天等廠家研發(fā)飛機的主流趨勢。而該平臺中的核心環(huán)節(jié)之一就是建立虛擬鐵鳥，以實現(xiàn)飛機系統(tǒng)設(shè)計方案的功能指標確認、控制策略驗證、子系統(tǒng)基本參數(shù)設(shè)計優(yōu)化以及可靠性評估。

虛擬鐵鳥建模和仿真的解決方案

虛擬鐵鳥的建立主要用于飛機系統(tǒng)設(shè)計方案的功能指標確認、控制策略驗證和子系統(tǒng)基本參數(shù)的設(shè)計優(yōu)化，進一步用于可靠性評估。本質(zhì)上，虛擬鐵鳥就是飛機系統(tǒng)級設(shè)計方案的數(shù)學展現(xiàn)。因此虛擬鐵鳥的建立主要采用系統(tǒng)級設(shè)計工具進行。

一方面，由于飛機系統(tǒng)涉及到機械、電氣、控制、液壓、傳熱、氣動等多個學科領(lǐng)域，建立虛擬鐵鳥的工具最好也是能夠直接針對多學科建模的工具，如果一個工具不足以實現(xiàn)則需要各工具之間能夠方便地交換數(shù)據(jù)，從而保證各學科的模型能夠同步進行仿真以預(yù)測整個飛機系統(tǒng)的功能等。從國際先進企業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗看，基于開源的Modelica語言的一維多學科建模仿真工具Dymola是空客、波音等公司建立機電液多學科模型的共同選擇，而控制系統(tǒng)的建模則都采用了Matlab/Simulink，二者之間通過直接耦合進行系統(tǒng)的功能分析。

另一方面，由于飛機系統(tǒng)涉及到航空發(fā)動機、環(huán)控、液壓、飛控、電氣等多個專業(yè)領(lǐng)域，一個團隊難以完成各專業(yè)模型的建立，因此勢必需要由不同專業(yè)的團隊分別建立各專業(yè)的模型，然后通過各專業(yè)模型之間的耦合仿真實現(xiàn)對整個飛機系統(tǒng)功能的預(yù)測。為了限制模型參數(shù)在必要的范圍內(nèi)傳播同時尊重各專業(yè)團隊的勞動，各專業(yè)的模型需要進行一定加密處理。一種思路是將各專業(yè)的模型都導出為基于FMI/FMU的黑盒模型，將所有的模型在同一個支持FMI/FMU模型的平臺（如Dymola或Simulink）上運行，即可以實現(xiàn)整個飛機系統(tǒng)的功能仿真。另一種思路是將各專業(yè)的功能模型直接運行在各團隊自己的電腦上，通過一個分布式聯(lián)合仿真工具TISC從各專業(yè)模型中僅提取可以共享的變量各專業(yè)模型之間的數(shù)據(jù)交互，從而實現(xiàn)整個飛機系統(tǒng)的功能仿真。第一種思路適合于模型參數(shù)變化不大的方案的聯(lián)合仿真，第二種思路則具有廣泛的適用性。

因此，虛擬鐵鳥的建模和仿真可以基于Dymola和Simulink由各專業(yè)團隊建立各分系統(tǒng)的多學科模型，然后基于FMI/FMU或者分布式聯(lián)合仿真平臺TISC實現(xiàn)系統(tǒng)級功能驗證。基于Dymola和Simulink的虛擬鐵鳥模型可以直接下載到實時仿真機中進行針對控制策略的半實物仿真測試；同時也可以通過故障診斷工具將其轉(zhuǎn)換為故障樹模型用于系統(tǒng)可靠性評估。

國內(nèi)外典型案例

• 空客起落架機電液建模仿真

早在2001年，德國航天局DLR部門就基于多學科建模仿真工具Dymola為空客搭建了飛機起落架機械、液壓、電氣、控制等模型庫，借此建立包括飛機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制及監(jiān)控系統(tǒng)、機輪及機身系統(tǒng)等虛擬鐵鳥，實現(xiàn)Dymola、Simulink、Abaqus機電液控等多學科聯(lián)合仿真，以驗證整機設(shè)計方案的功能，并為剎車結(jié)構(gòu)的疲勞性能分析提供系統(tǒng)參數(shù)。

空客虛擬鐵鳥

飛機剎車制動機電液聯(lián)合仿真

• 空客多電飛機全新架構(gòu)設(shè)計

空客從2004年開始在歐盟資助基礎(chǔ)上啟動了MOET（多電飛機電氣架構(gòu)設(shè)計）項目。其中德國宇航局DLR基于Modelica語言定制了多電飛機電氣架構(gòu)的虛擬模型，用于模擬動態(tài)的整機功率需求、整機重量、系統(tǒng)可靠性等，從而驗證多電飛機電氣架構(gòu)的性能。