虛擬鐵鳥(niǎo)的建模和仿真解決方案及案例

飛機是一個(gè)龐大而復雜系統，其研制是一個(gè)系統工程，涉及機械、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)展對飛機的研發(fā)提出了更高的要求，在研制中實(shí)現性能、成本和研發(fā)周期三方面的最佳統一，是航空業(yè)所面臨的巨大挑戰。傳統的設計-試驗的研發(fā)模式，耗時(shí)耗力，已經(jīng)不能滿(mǎn)足飛機研發(fā)的要求。建立包括需求管理、架構設計、功能樣機建模與優(yōu)化、數字樣機設計、性能樣機驗證、數字化裝配與工藝設計、交互式設計成果展示的數字化綜合仿真平臺，已經(jīng)成為國際上主流航空航天等廠(chǎng)家研發(fā)飛機的主流趨勢。而該平臺中的核心環(huán)節之一就是建立虛擬鐵鳥(niǎo)，以實(shí)現飛機系統設計方案的功能指標確認、控制策略驗證、子系統基本參數設計優(yōu)化以及可靠性評估。

虛擬鐵鳥(niǎo)建模和仿真的解決方案

虛擬鐵鳥(niǎo)的建立主要用于飛機系統設計方案的功能指標確認、控制策略驗證和子系統基本參數的設計優(yōu)化，進(jìn)一步用于可靠性評估。本質(zhì)上，虛擬鐵鳥(niǎo)就是飛機系統級設計方案的數學(xué)展現。因此虛擬鐵鳥(niǎo)的建立主要采用系統級設計工具進(jìn)行。

一方面，由于飛機系統涉及到機械、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(niǎo)的工具最好也是能夠直接針對多學(xué)科建模的工具，如果一個(gè)工具不足以實(shí)現則需要各工具之間能夠方便地交換數據，從而保證各學(xué)科的模型能夠同步進(jìn)行仿真以預測整個(gè)飛機系統的功能等。從國際先進(jìn)企業(yè)的應用經(jīng)驗看，基于開(kāi)源的Modelica語(yǔ)言的一維多學(xué)科建模仿真工具Dymola是空客、波音等公司建立機電液多學(xué)科模型的共同選擇，而控制系統的建模則都采用了Matlab/Simulink，二者之間通過(guò)直接耦合進(jìn)行系統的功能分析。

另一方面，由于飛機系統涉及到航空發(fā)動(dòng)機、環(huán)控、液壓、飛控、電氣等多個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，一個(gè)團隊難以完成各專(zhuān)業(yè)模型的建立，因此勢必需要由不同專(zhuān)業(yè)的團隊分別建立各專(zhuān)業(yè)的模型，然后通過(guò)各專(zhuān)業(yè)模型之間的耦合仿真實(shí)現對整個(gè)飛機系統功能的預測。為了限制模型參數在必要的范圍內傳播同時(shí)尊重各專(zhuān)業(yè)團隊的勞動(dòng)，各專(zhuān)業(yè)的模型需要進(jìn)行一定加密處理。一種思路是將各專(zhuān)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(gè)支持FMI/FMU模型的平臺（如Dymola或Simulink）上運行，即可以實(shí)現整個(gè)飛機系統的功能仿真。另一種思路是將各專(zhuān)業(yè)的功能模型直接運行在各團隊自己的電腦上，通過(guò)一個(gè)分布式聯(lián)合仿真工具TISC從各專(zhuān)業(yè)模型中僅提取可以共享的變量各專(zhuān)業(yè)模型之間的數據交互，從而實(shí)現整個(gè)飛機系統的功能仿真。第一種思路適合于模型參數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(niǎo)的建模和仿真可以基于Dymola和Simulink由各專(zhuān)業(yè)團隊建立各分系統的多學(xué)科模型，然后基于FMI/FMU或者分布式聯(lián)合仿真平臺TISC實(shí)現系統級功能驗證?；贒ymola和Simulink的虛擬鐵鳥(niǎo)模型可以直接下載到實(shí)時(shí)仿真機中進(jìn)行針對控制策略的半實(shí)物仿真測試；同時(shí)也可以通過(guò)故障診斷工具將其轉換為故障樹(shù)模型用于系統可靠性評估。

國內外典型案例

• 空客起落架機電液建模仿真

早在2001年，德國航天局DLR部門(mén)就基于多學(xué)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向系統、電氣系統、控制及監控系統、機輪及機身系統等虛擬鐵鳥(niǎo)，實(shí)現Dymola、Simulink、Abaqus機電液控等多學(xué)科聯(lián)合仿真，以驗證整機設計方案的功能，并為剎車(chē)結構的疲勞性能分析提供系統參數。

空客虛擬鐵鳥(niǎo)

飛機剎車(chē)制動(dòng)機電液聯(lián)合仿真

• 空客多電飛機全新架構設計

空客從2004年開(kāi)始在歐盟資助基礎上啟動(dòng)了MOET（多電飛機電氣架構設計）項目。其中德國宇航局DLR基于Modelica語(yǔ)言定制了多電飛機電氣架構的虛擬模型，用于模擬動(dòng)態(tài)的整機功率需求、整機重量、系統可靠性等，從而驗證多電飛機電氣架構的性能。