案例分享|飞机高升力系统的虚拟测试

CAE大拿

对于飞机系统认证，需要进行严格的测试，以确保在所有操作和环境条件下的性能符合设计要求。 传统上，这些测试是在物理测试平台上进行的，而系统复杂性的提高和开发周期的缩短需要创新的测试方法。 基于物理的仿真虚拟测试是一种飞机高升力系统验证和认证过程的改进方法（图1）。

空客高升力测试部门不仅建立的物理测试方法（例如试验台TR），而且还投资开发了虚拟测试方法。 与其他方法相比，虚拟测试可在产品和操作条件表示之间实现理想的折衷（图2）。

图 1 : 高升力测试系统装置

图 2 : 各种测试方法

对于空客公司的高升力设备而言，使用MSC Adams进行多体仿真是进行虚拟测试的首选方法。 除了需要高度代表性的、可靠的和高效的计算机模型外，还需要相应的仿真数据和过程管理系统（SPDM），能够随着飞机的开发，建立可追溯的仿真生命周期管理。

空客公司的高升力测试部门基于MSC的SPDM解决方案—SimManager，开发了高升力系统测试平台（HLSVT平台），使生成的仿真数据与用于创建仿真数据的模型之间具有关联关系，并追踪仿真模型的创建 ，协调整个仿真工作流程。

通过SimManager与测试管理系统的集成，可以在系统需求、用于评估的数据以及用于生成此数据的模型/过程之间建立完整的追溯关系。

空客公司的虚拟测试

2002年以来，空客公司的高升力测试部门通过合作研究项目在虚拟测试领域进行了投资。虚拟测试从那时开始一直在不断发展，并且在降低风险和系统认证等的方面已经越来越成熟。 这些是基于物理测试与虚拟测试/仿真之间的强耦合。 物理测试与仿真相结合，可以更深入地了解被测系统及其行为，从而减少在设计周期后期进行高成本设计变更的可能性。

试验台模型，包括实际物理测试所要设置的详细信息，首先要经过验证（图3），然后才能扩展应用到接近于实际飞机的变量。

使用集成方法的好处，如图4所示，包括缩短时间和减少成本，以及更好的结果质量。

图 3 : 高升力系统多体仿真模型（模拟试验台的实现）

图 4 : 物理和虚拟测试有统一的测试结果

仿真数据和过程管理

适航认证管理局的规章还要求一个定义明确和健全的过程，来追踪认证过程中涉及的完整数据链。当前，飞机系统的开发是基于需求工程（RBE）的。反过来说，这个过程推动了测试部门内部去开发基于需求的测试（RBT）流程。系统要求的所有功能和属性（例如性能和安全性）均以结构化方式，并由基于Doors（Telelogic）的数据库进行管理。测试管理系统（TMS）将每个需求的形式化验证分配给一个或多个已有的测试工具。每个测试工具都有一个本地流程和数据管理系统。进行测试后，TMS会汇总来自本地平台的所有测试数据，并且自动生成测试报告和最终的认证文档（覆盖报告）。图5显示了全局测试过程的示意图。

图 5 : 系统认证的全局测试过程

为了在现有测试过程中成功进行虚拟测试，基于SimManager开发了一个解决方案（图6）。SimManager环境连接到测试管理系统，实现物理测试与虚拟测试间的数据流。

图 6 : HLVST虚拟测试平台的示意图

SPDM系统可对仿真前处理、仿真求解和仿真后处理进行统一管理。 SimManager环境还链接到HPC Linux环境，进行批处理和计算求解。 除此之外，还可以使用用于连接Windows系统的相同流程。

通过执行脚本（例如，FEA模板）和由虚拟平台触发的交互式前处理来管理仿真过程。 除了将仿真结果与特定版本模型相关联的配置外，平台还采集了用于生成模型版本的输入数据和过程。

高效的后处理，包括变量测试和模型验证

虽然多体仿真模型的执行通常会产生大量的数据，但是对于评估系统要求，即得出通过/失败的结论，通常只需要几个关键值。因此，必须要有一个高效的后处理过程，从而能够从仿真的原始结果中稳健和方便地提取关键结果值。 这个方法还涵盖了全局虚拟测试需求的可追溯性以及数据的可复现性。图7是该过程的概述。

图 7 :数据后处理过程概述

后处理定义表用于定义原始仿真结果的处理方式。 这包括相关参数的逐块定义，及其条件（例如，偏移量或缩放因子的应用）和关键结果提取的定义。定义表在MS Excel中实现，还包含关键结果值输出表的模板和用于优化展示的格式宏。 从给定的仿真结果开始，高升力系统虚拟测试平台把仿真结果和后处理定义表提供给Matlab函数，来读取数据和定义并执行请求的操作。该过程涉及仿真结果的提取和相应图的创建。 除基本值外，输出表还包含指向创建图的超链接。 执行后处理后，HLSVT平台收集生成的输出结果（图8），并准备上传到测试管理系统，在该系统中进行系统需求评估。

图 8 : 虚拟测试平台的后处理结果

相同的Matlab函数还能够通过将仿真结果与相应的参考数据（例如物理测试数据或另一个仿真方法和工具的结果，如FEM分析结果）进行比较来验证模型。 在这种情况下，输入定义中提供了附加信息，用于指定参考数据的处理和定义要执行的比较。物理和虚拟测试的结合帮助空客战胜了系统复杂性增加和开发时间减少间相互矛盾的挑战。 MSC的软件工具对于高升力系统的虚拟验证和认证过程至关重要。 基于SimManager的工作流程可确保以自动化和可扩展的方式在飞机开发周期内完全地追溯仿真生命周期内的数据和流程。

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