CEASIOM專業3D飛機多學科優化設計與飛行模擬軟件平臺

產品簡介

現代飛機總體設計是從概念設計到初步設計階段，進而到飛機總體方案詳細設計的全過程，其最終的目標是給定最優的飛機總體方案。確定飛機總體參數的過程是非常復雜的，需要經驗和反復迭代，因而要花費大量的時間。傳統的依據半經驗理論和數據進行飛機設計已經滿足不了現代飛機復雜的設計要求。面對當今世界經濟和科技的快速發展，越來越多的人認識到, 特別是針對現代飛機的高標準和高要求，開發一個更復雜、更強大的專門用于飛機設計的工業軟件系統已是大勢所趨。如果有一套軟件，將這一過程程序化，不僅可以從冗余的計算、迭代中解脫出來，而且還可以在短時間內完成一個或多個滿足設計要求的方案設計。從而大大縮短了飛機設計周期，節省費用。專業3D飛機多學科優化設計與飛行模擬軟件平臺CEASIOM可以滿足飛機設計的各類需求，CEASIOM軟件采用虛擬飛機模型將多學科分析技術應用在飛機概念設計階段，同時軟件提供一個完整的交互式、一體化飛機設計平臺和決策制定環境。國際先進飛機設計及多學科優化平臺CEASIOM歐洲研發團隊與中仿科技簽訂深度合作協議，決定建立戰略合作伙伴關系并正式開展全球性合作。

（CEASIOM）

 CEASIOM(Computerised Environment for Aircraft Synthesis and Integrated Optimisation Methods)是集成飛行器設計、仿真和模擬為一體的多物理分析綜合仿真平臺。將高保真度物理模型和多學科設計優化引入飛機概念設計早期階段；采用現代化軟件開發技術，高效集成了參數化飛機模型設計模塊、自動化網格生成系統模塊、空氣動力學數據庫生成模塊、仿真與動態穩定分析模塊、飛機控制系統設計工具包模塊、氣動彈性和結構分析模塊等多種先進軟件工具；有助于降低設計風險、提高設計質量和縮短設計周期。CEASIOM遵循國際通用飛機數據標準CPACS，利用虛擬飛機模型將多學科分析技術應用在飛機設計階段，兼容眾多概念設計和分析工具，支持飛行模擬等廣泛應用，提供一個完整的飛機設計平臺、軟件模擬平臺和決策制定環境。

（CEASIOM）

CPACS是德國宇航院(DLR)為了加強飛行器概念—初步設計階段各學科之間的交流，于2005年開發的能夠包含各個學科信息的數據標準。在多學科分析環境中，CPACS數據交換格式不僅可以有效地減少各學科、各分析模塊之間數據交換的工作量，還能使分析模塊之間相互獨立，減少分析模塊之間的相互影響，因此使用CPACS數據格式是建立高效飛行器設計優化鏈的關鍵。對于三維氣動外形，通過NURBS方法對翼型進行參數化描述，結合CPACS氣動外形的平面形狀參數 ，從而得到全機的參數化幾何外形。

（CEASIOM）

CEASIOM專業3D飛機多學科優化設計與飛行模擬軟件平臺滿足各類飛行器的開發設計和模擬分析，可有效解決飛機整體設計與仿真等系統問題。CEASIOM已經成為全球飛機設計領域的主要軟件工具之一，極大提高了飛機設計與性能分析的技術水平?？赏瑫r進行單引擎小飛機、中型商務客機、大型民航機與飛機等設計分析及進行模擬實驗分析。該軟件面向飛機研究院所工程師、大學教師、學生、飛機設計及改裝愛好者和專業的飛機擁有者等。用戶可應用CEASIOM完成飛機開發、模擬仿真實驗和三維建模等多種任務。

圖1.1:飛機設計壽命周期成本中高              圖1.2:CEASIOM運用虛擬飛機模型

達80%的部分在概念設計階段產生              將多學科分析帶入早期概念設計階段

二、CEASIOM產品主要特點：

u CEASIOM軟件提供以下解決方案：

ü 設計更環保、更輕、更安全的飛行器

ü 有效降低概念設計階段的設計風險、成本和設計周期 

ü 設計高效的飛行器控制系統

ü 分析和改良現有飛機的性能

ü 優化飛機外形以提升飛行器性能

u 用物理理論取代半經驗模型進行氣動彈性設計

u 利用虛擬飛機模型結合多準則定律進行飛機概念設計

u 提供交互式、一體化設計的決策環境

（CEASIOM）

三、CEASIOM軟件功能模塊

CEASIOM 包含眾多子模塊，有設計模塊、模擬模塊，以滿足實際工程需要。CEASIOM軟件采用虛擬飛機模型將多學科分析技術應用在飛機概念設計階段，同時軟件提供一個完整的交互式、一體化飛機設計平臺和決策制定環境。模塊包括：

· 參數化飛機模型設計模塊（CEASIOM/CPACScreator）

· 自動化網格生成系統模塊（CEASIOM/SUMO）

· 空氣動力學數據庫生成模塊（CEASIOM/AMB-CFD）

· 仿真與動態穩定分析模塊（CEASIOM/SDSA）

· 飛機控制系統設計工具包模塊（CEASIOM/FCSDT）

· 氣動彈性和結構分析模塊（CEASIOM/NeoCASS）

圖3.1  CEASIOM軟件數據流程圖     圖3.2  CEASIOM軟件飛機建模

圖3.3  CEASIOM 功能模塊結構圖

 圖3.4  CEASIOM 功能模塊流程圖      圖3.5  CFD & CSM網格劃分步驟圖

3.1  參數化飛機模型設計模塊（CEASIOM/CPACScreator）

參數化飛機模型設計模塊CEASIOM/CPACScreator（The Common Parametric Aircraft Configuration Schema）是CEASIOM軟件中的模塊之一，該模塊可以完成飛機概念設計過程中的以下工作任務：

1. 飛行器幾何外形的參數化

2. 可視化的飛機外形構造

3. 眾多的飛機參數輸入

4. 輸出XML形式的文檔，用于后續模塊的應用。

 圖3.6  CPACScreator結構分布圖            圖3.7  CPACScreator在數據流中的位置

· CEASIOM/CPACScreator是一個具備圖形編輯功能的XML文件

· 支持運行Matlab工具

· 是NeoCASS模塊前處理器

· 有TIGL特定資源庫

· 數據模型,用于飛機的初步設計

· 飛機、直升機和引擎設計

CEASIOM/CPACScreator模塊設計完成以后，飛行器的幾何參數設定完畢。經過該模塊計算以后，會形成一個新的XML文件，該文件包含了初始XML中的數據，同時還包含一些經過本模塊計算得到的新的參數。需要注意的是，在本模塊的計算過程中，XML文件中的一些初始數據有可能新數據被覆蓋，文件中包含的數據將會在接下來的模塊中應用。

圖3.8  CPACScreator模塊應用

3.2  自動化網格生成系統模塊（CEASIOM/SUMO）

CEASIOM軟件中的CEASIOM/SUMO模塊可以用來對飛機結構進行網格畫分。該模塊包含了模型的面網格和體網格生成器，可由IGES格式的模型導入。圖3.10 (a)為利用該模塊劃分的飛機結構面網格，圖3.10 (b)為利用該模塊劃分的飛機結構體網格。

(a) 面網格                          (b) 體網格

圖3.9 利用CEASIOM/SUMO模塊得到的飛機面網格及體網格

圖3.10  SCEASIOM/SUMO模塊     圖3.11 SCEASIOM/SUMO模塊

在數據流圖中的位置               不同層次幾何體的網格劃分

 幾何體建模               面網格劃分               體網格劃分
圖3.12 CEASIOM/SUMO模塊網格劃分的基本流程(以Ranger2000為例)

3.3  空氣動力學數據庫生成模塊（CEASIOM/AMB-CFD）

空氣動力學數據庫生成模塊CEASIOM/AMB-CFD（Aerodynamic Model Builder computational fluid dynamics）包含了不同的空氣動力學求解方法，這些求解方法具有自適應高保真特點。

· 穩態和非穩態的TORNADO求解模型用于求解低速空氣動力學和啟動彈性問題。

· 集成了邊界CFD方法用于求解高速空氣動力學及氣動彈性問題。

· RANS求解器用以仿真高精度飛行條件分析。

飛機的各不同階段的質心分布經過重量與平衡控制計算模塊計算完成以后，就可以對飛機的空氣動力特性進行初步的估計。CEASIOM采用DATCOM來計算結構的初步空氣動力學特性。該軟件在飛行器初級設計階段具有較高的使用價值。圖3.13為軟件給出飛機幾何構造及其空氣動力學分部特性圖。

圖3.13  CEASIOM/AMB-CFD模塊計算所得到的飛行器結構及初步空氣動力學性能

CEASIOM/AMB-CFD 模塊功能：

•  狀態及空氣動力學表格參數定義

•  幾何及機翼結構驗證

•  由以下方法計算得到數據庫：

•  數字Datcom求解器

•  Tornado求解器

•  基于三維模型的Edge求解器

 圖3.14  CEASIOM/AMB-CFD模塊圖                     圖3.15  CEASIOM/AMB-CFD模塊的

                                                                                          結構圖在數據流圖中的位置                    

3.4  仿真與動態穩定分析模塊（CEASIOM/SDSA）

仿真與動態穩定分析模塊CEASIOM/SDSA（(Simulation and Dynamic Stability Analyser）使用六自由度數學非線性模型模擬飛機的運動。飛行仿真模塊可以用來執行測試飛行并記錄實時飛行參數，記錄的數據可用于識別典型的動作模式及其參數(阻尼系數,相移)。CEASIOM/SDSA是一個獨立的應用程序集成到CEASIOM，作為CEASIOM的一個仿真和動態穩定模塊。

圖3.16 CEASIOM/SDSA模塊在數據流圖中的位置      圖3.17 CEASIOM/SDSA模塊的結構

CEASIOM/SDSA模塊具有以下功能：

穩定性分析：
· 特征值分析
· 時間歷程分析
· 靜力學邊界
六自由度仿真：
· 飛行測試響應
· 湍流分析
· LQR飛行控制系統
· 飛行員模式及穩定性分析系統

（一）振動特性

圖3.18 所設計飛機的振動特性圖。

圖3.18 飛行器振動特性

（二）空氣動力學特性

圖3.19 得到的空氣動力學特性關系。

圖3.19升力系數、阻力系數隨著攻角的變化關系圖

特征值分析                                              飛行仿真

靜態裕度                                                    飛行范圍

圖3.20  CEASIOM/SDSA模塊動力學仿真

3.5  飛機控制系統設計工具包模塊（CEASIOM/FCSDT）

飛機控制系統設計工具包模塊CEASIOM/FCSDT（Flight Control System Design Toolkit）有兩個主要功能：

1. 飛機控制系統本身設計

2. 飛機空間設計分析

飛機控制系統設計工具包模塊（CEASIOM/FCSDT）的設計和分析的功能有：

· 飛機控制系統架構設計

· 可靠性分析

· 失敗模型研究

· 控制分配

· 響應模擬

· 穩定與控制分析

· 處理質量評估

· 飛行模擬

圖3.21 CEASIOM/FCSDT模塊                        圖3.22 CEASIOM/FCSDT飛行

 在數據流圖中的位置                                       控制系統子模塊

圖3.23  CEASIOM/FCSDT飛行控制系統結構布局圖可靠性分析

3.6  氣動彈性和結構分析模塊（CEASIOM/NeoCASS）

氣動彈性和結構分析模塊CEASIOM/NeoCASS（Next generation Conceptual Aero-Structural Sizing Suite）是一個適合概念和初步設計飛機的數值分析工具。它的主要目的是對早期設計階段中依靠經驗公式計算機體軸承關于結構重量的改進。事實上，軟件幫助設計師在飛機的結構發展和通過結構、空氣動力學數值方法調查空氣彈性變形上有物理基礎。因此, 氣動彈性和結構分析模塊用來設計創新和罕見的飛機布局。

氣動彈性分析模塊CEASIOM/NeoCASS主要功能：

· 分析結構大小不同的機動飛行

· 用不同的數值分析方法解決空氣彈性變形

· 依據用戶的標準對飛機設計結構優化

· 線性或非線性等效板面元素分布

· 集中質量對機身結構做有效分析

· 渦格法(VLM)穩定亞音速氣動彈性分析

· 顫振模型解算器

· 在整個不穩定飛行中用顫振解算器有效地評估顫振

· 為變形飛機進行靜態空氣彈性變形分析計算

 圖3.24  CEASIOM/NeoCASS模塊     圖3.25 CEASIOM/NeoCASS氣動彈性

在數據流圖中的位置                和結構分析模塊的用戶界面

CEASIOM/NeoCASS可以作為一個獨立的應用程序或一個多學科的設計環境?？捎糜谔峁┏醪降募毠?如剛度和質量分布、重量)及其靜態或動態變形的設計分析。                                        

圖3.26 氣動彈性和結構分析模塊 CEASIOM/NeoCASS              圖3.27  CEASIOM/NeoCASS結構關系圖     

圖3.28 飛行器質量點線結構劃分技術（以TCR為例）

四、CEASIOM軟件使用客戶

專業3D飛機多學科優化設計與飛行模擬軟件平臺CEASIOM是歐盟第六框架計劃項目 SimSAC（Simulating Aircraft Stability And Control Characteristics for Use in Conceptual Design）的主要成果。該項目投資500多萬歐元，歷時3年，由瑞典皇家工學院 KTH、瑞士CFS工程公司、瑞典研究院FOI、德國宇航院DLR、法國宇航院ONERA、瑞典SAAB飛機公司、歐洲宇航與防務公司EADS、法國Dassault飛機公司等 17 家單位聯合承擔。中仿科技負責開發其商業版CEASIOM并享有其全部源代碼以及產品專利和版權。
部分用戶列表：

· 波音公司

· 空中客車公司

· 俄羅斯聯合航空制造公司

· 龐巴迪宇航公司

· 瑞典薩博飛機公司

· 中國航空研究院

· 西安航空計算技術研究所

· 北京航空航天大學

· 南京航空航天大學

· 西北工業大學