虛擬鐵鳥的建模和仿真解決方案及案例

飛機(jī)是一個(gè)龐大而復(fù)雜系統(tǒng)，其研制是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及機(jī)械、電氣、自動(dòng)控制、液壓、氣動(dòng)等多學(xué)科領(lǐng)域。需求的發(fā)展對(duì)飛機(jī)的研發(fā)提出了更高的要求，在研制中實(shí)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(jì)-試驗(yàn)的研發(fā)模式，耗時(shí)耗力，已經(jīng)不能滿足飛機(jī)研發(fā)的要求。建立包括需求管理、架構(gòu)設(shè)計(jì)、功能樣機(jī)建模與優(yōu)化、數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)、性能樣機(jī)驗(yàn)證、數(shù)字化裝配與工藝設(shè)計(jì)、交互式設(shè)計(jì)成果展示的數(shù)字化綜合仿真平臺(tái)，已經(jīng)成為國際上主流航空航天等廠家研發(fā)飛機(jī)的主流趨勢(shì)。而該平臺(tái)中的核心環(huán)節(jié)之一就是建立虛擬鐵鳥，以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的功能指標(biāo)確認(rèn)、控制策略驗(yàn)證、子系統(tǒng)基本參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化以及可靠性評(píng)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(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的功能指標(biāo)確認(rèn)、控制策略驗(yàn)證和子系統(tǒng)基本參數(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，進(jìn)一步用于可靠性評(píng)估。本質(zhì)上，虛擬鐵鳥就是飛機(jī)系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方案的數(shù)學(xué)展現(xiàn)。因此虛擬鐵鳥的建立主要采用系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)工具進(jìn)行。

一方面，由于飛機(jī)系統(tǒng)涉及到機(jī)械、電氣、控制、液壓、傳熱、氣動(dòng)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，建立虛擬鐵鳥的工具最好也是能夠直接針對(duì)多學(xué)科建模的工具，如果一個(gè)工具不足以實(shí)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(xué)科的模型能夠同步進(jìn)行仿真以預(yù)測(cè)整個(gè)飛機(jī)系統(tǒng)的功能等。從國際先進(jìn)企業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)看，基于開源的Modelica語言的一維多學(xué)科建模仿真工具Dymola是空客、波音等公司建立機(jī)電液多學(xué)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(jìn)行系統(tǒng)的功能分析。

另一方面，由于飛機(jī)系統(tǒng)涉及到航空發(fā)動(dòng)機(jī)、環(huán)控、液壓、飛控、電氣等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，一個(gè)團(tuán)隊(duì)難以完成各專業(yè)模型的建立，因此勢(shì)必需要由不同專業(yè)的團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)飛機(jī)系統(tǒng)功能的預(yù)測(cè)。為了限制模型參數(shù)在必要的范圍內(nèi)傳播同時(shí)尊重各專業(yè)團(tuán)隊(duì)的勞動(dòng)，各專業(yè)的模型需要進(jìn)行一定加密處理。一種思路是將各專業(yè)的模型都導(dǎo)出為基于FMI/FMU的黑盒模型，將所有的模型在同一個(gè)支持FMI/FMU模型的平臺(tái)（如Dymola或Simulink）上運(yùn)行，即可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)飛機(jī)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(yùn)行在各團(tuán)隊(duì)自己的電腦上，通過一個(gè)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(shí)現(xiàn)整個(gè)飛機(jī)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(tuán)隊(duì)建立各分系統(tǒng)的多學(xué)科模型，然后基于FMI/FMU或者分布式聯(lián)合仿真平臺(tái)TISC實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)功能驗(yàn)證。基于Dymola和Simulink的虛擬鐵鳥模型可以直接下載到實(shí)時(shí)仿真機(jī)中進(jìn)行針對(duì)控制策略的半實(shí)物仿真測(cè)試；同時(shí)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(píng)估。

國內(nèi)外典型案例

• 空客起落架機(jī)電液建模仿真

早在2001年，德國航天局DLR部門就基于多學(xué)科建模仿真工具Dymola為空客搭建了飛機(jī)起落架機(jī)械、液壓、電氣、控制等模型庫，借此建立包括飛機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制及監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)輪及機(jī)身系統(tǒng)等虛擬鐵鳥，實(shí)現(xiàn)Dymola、Simulink、Abaqus機(jī)電液控等多學(xué)科聯(lián)合仿真，以驗(yàn)證整機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)剎車制動(dòng)機(jī)電液聯(lián)合仿真

• 空客多電飛機(jī)全新架構(gòu)設(shè)計(jì)

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