實習記者于紫月
日前，ARJ21-700客機114架機在南京完成了最后一架次交付試航任務，通過中國航空局認證，順利交付上海民航，成為中國商飛公司向北京民航交付的第9架ARJ21-700客機。
那些年，一架又一架國產客機飛出“巢穴”大學物理虛擬仿真實驗，駛向藍天。隨著選擇搭乘客機出游的人越來越多，我們不禁想問，我們搭乘的客機是否安全？客機的硬度是否足夠？對于客機結構的硬度又是怎樣審視的？科技商報記者帶著這種疑惑，近期專訪了中國客機硬度研究所估算結構技術與仿真中心副總師聶小華。
結構硬度實驗保障安全飛行
“不論是小到幾公斤的無人機，還是大到載客上百人的小型飛機，不論是軍用戰斗機還是民用運輸機，每一架客機在上天之前還會有專門的研究團隊對其進行嚴酷的硬度實驗。”聶小華告訴記者，結構硬度是指結構承受荷載和耐受環境的能力，客機結構硬度實驗是客機研發中的必要環節。
進行客機硬度實驗卻不是件容易的事情。一架小型客機進行硬度實驗時，其翼尖上承受的最大荷載高達幾百噸，腹鰭變型可達好幾米，在地面進行硬度實驗時大學物理虛擬仿真實驗，須要通過幾百個加載通道將荷載施加到客機上以模擬空中受載狀態，同時要布置數以千計的傳感檢測客機的承載狀態。“但這項實驗是確保飛行安全所必須完成的。”聶小華說。
此外，在客機的設計和制造過程中，為了保證結構硬度達到要求，須要借助大量積木式乃至全機實驗來完成硬度設計的驗證與評估工作，整個過程除了須要花費巨大的財力物力，稍有不慎就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。
近些年來，人們仍然在汲汲找尋解決之策。隨著計算機技術的發展，科研人員開始探求將真實實驗環境以及實驗體的化學性能轉變為一個個數字和公式，“投喂”給計算機，構建起數字模型，模擬真實實驗的過程。從此，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、計算熱學與硬度理論、實驗數字化、虛擬現實等于一體的綜合技術，借助現代數字建模、虛擬仿真、增強現實及數據挖掘等計算機數字化手段，在數字空間完成硬度研究、設計、驗證，在虛擬環境中進行客機結構硬度的評估與驗證。”聶小華表示，虛擬實驗可以指導和輔助化學實驗，增強化學實驗的成功率，同時還可以優化和降低化學實驗工況，逐漸取代部份化學實驗，達到減少實驗風險、縮短實驗周期、節省實驗成本的目的。
記者了解到，目前一些小型美國客機公司早已開始采用虛擬實驗技術，在實驗前對實驗體進行充分剖析和預判，在實驗過程中進行實驗與剖析的一致性評估，有效把控實驗周期和風險。
“本世紀初，國外一些院校和研究所開始進行相關技術攻關與積累，目前在個別領域早已擁有了一定的技術優勢。”聶小華舉例，中國客機硬度研究所創建的小型客機靜硬度虛擬實驗系統可借助虛擬仿真技術快速精確模擬實驗件的承載狀態，提早預估實驗件的危險部位及其破壞模式，并經過化學實驗數據與虛擬實驗數據的一致性評估，可達到機翼變型偏差大于3%，撓度偏差大于5%，破壞荷載偏差大于10%，已成功應用于ARJ21-700、C919、AG600等客機全機靜力實驗中，大大提升了實驗精度，減短實驗周期近30%。
虛擬實驗手段的應用在客機研發過程中產生了虛實互動融合、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熱學特點的精確模擬，仍是虛擬實驗面臨的兩大困局。”聶小華強調。