快速应用:Altair’的OptiStruct帮助波音优化旋翼飞机设计

该软件工具通过为给定的设计空间,目标质量以及给定的一组目标和约束条件定义最佳的材料分布,来设计和优化机械结构的性能。

该软件工具通过为给定的设计空间,目标质量以及给定的一组目标和约束条件定义最佳的材料分布,来设计和优化机械结构的性能。

艾哈桑·伊克巴尔(Ahsan Iqbal)

在波音公司, 了解使用最新技术的艺术对于拥有百年历史的航空航天组织至关重要’持续的成功。这种意识可以提高现有产品的功能,并提供新的解决方案以满足波音客户的需求’变化的需求。波音公司在最近的项目中已经清楚地表明了这种理解。’全球的综合防御系统(IDS)业务部门’最大的军用飞机制造商。

 
牵牛星’的OptiStruct帮助波音优化旋翼飞机设计
图1. 2005年10月发生毁灭性地震后,波音CH-47支努努克人被广泛用于向巴基斯坦北部多山的克什米尔地区运送救济物资。 (由波音公司提供。)

IDS运用最新的设计优化技术,不断完善经过验证的旋翼飞机设计,以减轻重量并提高可负担性,可靠性和制造效率( 图1)。 IDS正在使用相同的最新技术来更快地探索和交付突破性的旋翼飞机系统。

重量与性能
设计旋翼飞机可能比其他任何飞行器都多—包括直升飞机旋转的机翼保持在飞机上的飞机(例如直升机)的全包术语—是形式和功能的复杂难题。简而言之, 目标是以最低的总重量提供最大的功能。

重量是主要设计考虑因素,因为它会影响转子’的垂直升力,进而影响飞机’的范围和在安全高度飞行的能力。较轻可能还意味着较稀疏的主要结构,使飞机能够更好地经受住地面火的袭击。另一方面,它’调整机身的刚度以减少振动非常重要,这对乘客的耐力,武器使用,机身的耐用性以及机载电子设备的运行有不利影响。这也是与体重有关的问题。节省的每一英镑也为改善效率,性能,弹道容忍度, 士兵的生存能力,维护能力和可维修性。尽管很难想象有一个解决所有这些问题的新设计,但明智的设计折衷可以转化为其他功能。例如,在机身结构上实现的重量减轻可以使设计人员增加更多的装甲以增加士兵的生存能力或增加用于人道主义任务的紧急医疗物资的有效载荷。

好,更好,最好
在九十年代后期,波音开始通过加工单个铝块而不是用成形和铆接的钣金来制造旋翼飞机机身。新的制造工艺成本高昂,生产效率高,维护成本高, 和刚度的好处。但是,当使用传统的工程工具和方法进行设计时,机身结构比以前更重,主要是因为薄的抗剪腹板可能不是重量最轻的解决方案。

这一新挑战为波音公司提供了重新审视设计过程本身的机会。波音工程师如何在保持重量中立状态的同时满足严格的客户规格要求,尤其是在改进传统设计方面?哪些工具可以帮助提高其产品的功能和性能? 如果可以缩短总体设计时间怎么办?如果设计人员可以在没有传统设计过程固有的繁琐迭代的情况下测试和评估想法,该怎么办?如果可以在流程的早期阶段合并并分析新概念怎么办?波音公司发现,优化技术在提供这些好处的同时,仍将开发时间限制在极为严格的现有范围内。

如今,拓扑和地形优化技术已开始获得认可,并在整个航空设计界产生重大影响。这项发展的最前沿是Altair OptiStruct。该软件通过为给定的设计空间,目标质量以及给定的一组目标和约束条件定义最佳的材料分布,来设计和优化机械结构的性能。与费时的反复试验方法进行设计优化相比,OptiStruct使工程师能够开发健壮,高效的设计,并在较短的时间内获得较高的成功率。

测试工具
波音CH-47奇努克重型运输直升机已经在美国陆军和盟军服役超过42年—是波音公司运行时间最长的生产程序’的历史。它的主要任务是在战场上移动部队,火炮,弹药,燃料,水,障碍物和装备。这种辛苦的旋翼飞机的次要用途包括医疗后送,救灾, 搜索和救援行动,消防,重型建筑和民用发展。自1962年飞机在越南被引进以来,已经建造了1,179架以上的支努干直升机。在过去的40年中,不断的技术改进(例如带有通用航空电子设备的新驾驶舱部分)与不断增加的任务需求保持同步。契努克族现代化的结果’经过验证的配置是一架功能更强大,生存能力更强的飞机。

 
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图2.波音工程师使用Altair Engineering’的OptiStruct拓扑优化技术,可为Chinook CH-47坡道开发新的开放式桁架结构(以绿色显示)。 (由波音公司提供。)

作为持续改进工作的一部分,由旋翼航空器优化首席工程师Ethan Hunter领导的波音工程师团队确定了Chinook CH-47的坡道,以进行重量减轻的初步研究。这项研究的目的是检验拓扑优化技术的好处,以加速新产品开发并改进传统设计。

工程师使用OptiStruct拓扑优化技术制作了一个“radical”坡道的新的开放式桁架结构(图2)。陌生的有机外观桁架加固模式最初与波音有关’的工程师,因为他们确信它不如传统设计稳定,而且生产成本更高。经过深入分析,这些疑虑被证明是没有根据的。该技术代表了设计的范式转变,它是对新制造方法(例如高速加工)的补充,它根据载荷路径切割了结构,而不是易于制造, 网格图案的钣金设计。此外,事实证明,新设计比原来的设计更坚固,同时实现了17%的重量减轻(图3)。此外,开放式桁架结构增加了坡道’之所以具有弹道公差,是因为新设计减少了体积,比密集的腹板和加劲肋提供了更疏松的目标。

重要的是,使用优化工具预先加载设计过程并不会损害积极的六到八周的分析时间。实际上,优化工具将整体开发时间缩短了一半。不到三到四年前,使用常规方法进行的总体设计可能需要12到18个月的开发时间。现在,一次典型的传统重新设计只需六到九个月的时间就可以完成验证,并以可以转化为实际产品的形式发布给制造商或供应商。

奇努克斜升飞机项目取得了巨大成功,波音团队期望在不久的将来使用优化工具设计两架新直升机。此外,IDS工程师将与波音公司合作’的商用飞机集团将优化新型波音787 Dreamliner的机翼肋骨设计,这是一种超高效的三架飞机系列,计划于2006年开始生产,并于2008年开始交付。

随着设计优化技术越来越获得工程师和客户的认可,以优化为导向的设计流程将帮助波音公司开发重量更轻,开发成本更低,并更快进入市场的高效飞机结构。反过来,减轻重量将降低波音客户的运营成本,并增加飞机数量’客运和货运能力。

 
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图3.经证明,经过优化的Chinook CH-47坡道结构比原来的(基线)更硬,同时实现了17%的重量减轻。 (由波音公司提供。)

酷和非常规
波音公司 ’使用创新技术创造以客户为中心,突破性的航空航天产品的100年历史令人印象深刻,未来拥有更大的希望。设计理念的转变—结合先进的优化和模拟方法,可通过减少开发时间来鼓励新思维—它将为当今几乎不可想象的产品可能性打开大门。

不断发展的设计过程已经使向垂直提升的新模式转变成为可能。一个例子就是波音V22鱼鹰,这是第一架从头开始设计的飞机,可以满足美国所有四次武装部队的需求。鱼鹰是一种倾转旋翼飞机,可以像直升机一样起降,但是一旦机载,旋翼就可以旋转,将飞机转变为涡轮螺旋桨飞机。

鱼鹰在更高的高度飞行速度是直升飞机的两倍,航程更长。鱼鹰易于存放在航空母舰上,还具有空对空加油的能力,从而进一步扩大了其飞行任务的潜力。先进的设计将改变人们对旋翼飞机飞行的看法,并代表着旋翼飞机未来的颠覆性发展。

设计哲学的变化如何推动飞行新发展的另一个例子是波音A-160蜂鸟,这是一种无人驾驶直升机,与当今市场上的任何其他直升机都不一样。蜂鸟被设计成可以飞行2,500海里,续航力超过24小时,有效载荷超过300磅。

主要用于侦察, 监视,目标捕获和通信,它比传统直升机可以到达更高的高度,悬停更长的时间并且更安静。蜂鸟之所以与众不同的一个特点是最佳速度的旋翼技术,使操作员能够在不同的高度和巡航速度下调整旋翼叶片的RPM。这项技术不仅节省燃油,而且提高了旋翼飞机的整体效率。

波音公司还参与了联合重型直升机的概念设计研究,这将满足未来陆军和海军旋翼航空器对20吨或更大有效载荷的要求。正在评估五种不同的设计。波音公司正在参加其中的两个。一种是先进的串联旋翼直升机,另一种是四倾角旋翼。

在地平线上
随着波音工程师不断探索满足和超越客户期望的新方法,传统的设计范式正在转变为在开发过程中更早地包含高级优化和仿真技术。结果,重要的重量考虑因素与功能的增加之间得到了更有效的平衡。缩短旋翼飞机的开发时间不仅可以缩短产品上市时间,还可以使工程师提出和分析复杂的设计概念,否则这些概念将不切实际且研究成本高昂。

波音公司对设计优化的潜力印象深刻,它可以显着减轻重量,提供增强的功能并显着缩短开发时间。虽然波音公司可能尚未充分利用功能优化所提供的功能,但它代表了公司的重要转变’总体设计方法  尤其是在流程早期将这些工具带入系统时。这一变化还与整个企业内嵌的先进的精益生产工具和流程相一致,将确保波音公司’在竞争激烈的全球市场上持续取得业务成功。

更多信息
牵牛星 Engineering

波音公司


Ahsan Iqbal是高级经理, 结构分析,波音公司,综合防御系统,  Philadelphia.

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