你所不知道的 飛機虛擬實驗

近日，ARJ21-700飛機114架機在南通完成了最后一架次交付試飛任務，通過中國民航局認證，順利交付成都航空，成為中國商飛公司向成都航空交付的第9架ARJ21-700飛機。

這些年，一架又一架國產飛機飛出“巢穴”，飛向藍天。隨著選擇乘坐飛機出行的人越來越多，我們不禁想問，我們乘坐的飛機是否安全?飛機的強度是否足夠?對于飛機結構的強度又是如何考量的?科技日報記者帶著這些疑問，近日采訪了中國飛機強度研究所計算結構技術與仿真中心副總師聶小華。

結構強度實驗保障安全飛行

“不論是小到幾公斤的無人機，還是大到載客上千人的大型客機，不論是軍用戰斗機還是民用運輸機，每一架飛機在上天之前都會有專門的研究團隊對其進行嚴苛的強度實驗。”聶小華告訴記者，結構強度是指結構承受載荷和耐受環境的能力，飛機結構強度實驗是飛機研制中的必要環節。

進行飛機強度實驗卻不是件容易的事情。一架大型飛機進行強度實驗時，其機翼上承受的最大載荷高達幾百噸，翼尖變形可達好幾米，在地面進行強度實驗時，需要通過幾百個加載通道將載荷施加到飛機上以模擬空中受載狀態，同時要布置數以千計的傳感器測量飛機的承載狀態。“但這項實驗是確保飛行安全所必須完成的。”聶小華說。

據悉，在飛機的設計和制造過程中，為了保證結構強度達到要求，需要依靠大量積木式乃至全機實驗來完成強度設計的驗證與評估工作，整個過程不僅需要耗費巨大的財力物力，稍有不慎還會在實驗中出現非預期的結構損傷和破壞，其風險大、周期長、成本高。

近年來，人們一直在汲汲探尋解決之策。隨著計算機技術的發展，科研人員開始探索將真實實驗環境以及實驗體的物理性能轉變為一個個數字和公式，“投喂”給計算機，建立起數字模型，模擬真實實驗的過程。自此，虛擬實驗技術應運而生。

虛擬實驗護航全生命周期

“虛擬實驗技術是一項集大數據、計算力學與強度理論、實驗數字化、虛擬現實等于一體的綜合技術，利用現代數字建模、虛擬仿真、增強現實及數據挖掘等計算機數字化手段，在數字空間完成強度研究、設計、驗證，在虛擬環境中進行飛機結構強度的評估與驗證。”聶小華表示，虛擬實驗可以指導和輔助物理實驗，提高物理實驗的成功率，同時還可以優化和減少物理實驗工況，逐步替代部分物理實驗，達到降低實驗風險、縮短實驗周期、節省實驗成本的目的。

記者了解到，目前一些大型國外飛機公司已經開始采用虛擬實驗技術，在實驗前對實驗體進行充分分析和預判，在實驗過程中進行實驗與分析的一致性評估，有效把控實驗周期和風險。

“本世紀初，國內一些高校和研究所開始進行相關技術攻關與積累，目前在某些領域已經擁有了一定的技術優勢。”聶小華舉例，中國飛機強度研究所創建的大型飛機靜強度虛擬實驗系統可利用虛擬仿真技術快速精確模擬實驗件的承載狀態，提前預估實驗件的危險部位及其破壞模式，并經過物理實驗數據與虛擬實驗數據的一致性評估，可達到翼尖變形誤差小于3%，應力誤差小于5%，破壞載荷誤差小于10%，已成功應用于ARJ21-700、C919、AG600等飛機全機靜力實驗中，大大提高了實驗精度，縮短實驗周期近30%。

虛擬實驗手段的應用在飛機研制過程中形成了虛實互動融合、雙線并行的實驗新模式，也對研究人員提出了新挑戰。“對實驗環境的數字化描述和結構力學特性的精確模擬，仍是虛擬實驗面臨的兩大難題。”聶小華指出。