實(shí)習(xí)記者于紫月
日前，ARJ21-700客機(jī)114架機(jī)在南京完成了最后一架次交付試航任務(wù)，通過中國航空局認(rèn)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(jī)。
那些年，一架又一架國產(chǎn)客機(jī)飛出“巢穴”大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，駛向藍(lán)天。隨著選擇搭乘客機(jī)出游的人越來越多，我們不禁想問，我們搭乘的客機(jī)是否安全？客機(jī)的硬度是否足夠？對于客機(jī)結(jié)構(gòu)的硬度又是怎樣審視的？科技商報(bào)記者帶著這種疑惑，近期專訪了中國客機(jī)硬度研究所估算結(jié)構(gòu)技術(shù)與仿真中心副總師聶小華。
結(jié)構(gòu)硬度實(shí)驗(yàn)保障安全飛行
“不論是小到幾公斤的無人機(jī)，還是大到載客上百人的小型飛機(jī)，不論是軍用戰(zhàn)斗機(jī)還是民用運(yùn)輸機(jī)，每一架客機(jī)在上天之前還會有專門的研究團(tuán)隊(duì)對其進(jìn)行嚴(yán)酷的硬度實(shí)驗(yàn)。”聶小華告訴記者，結(jié)構(gòu)硬度是指結(jié)構(gòu)承受荷載和耐受環(huán)境的能力，客機(jī)結(jié)構(gòu)硬度實(shí)驗(yàn)是客機(jī)研發(fā)中的必要環(huán)節(jié)。
進(jìn)行客機(jī)硬度實(shí)驗(yàn)卻不是件容易的事情。一架小型客機(jī)進(jìn)行硬度實(shí)驗(yàn)時(shí)，其翼尖上承受的最大荷載高達(dá)幾百噸，腹鰭變型可達(dá)好幾米，在地面進(jìn)行硬度實(shí)驗(yàn)時(shí)大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，須要通過幾百個(gè)加載通道將荷載施加到客機(jī)上以模擬空中受載狀態(tài)，同時(shí)要布置數(shù)以千計(jì)的傳感檢測客機(jī)的承載狀態(tài)。“但這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是確保飛行安全所必須完成的。”聶小華說。
此外，在客機(jī)的設(shè)計(jì)和制造過程中，為了保證結(jié)構(gòu)硬度達(dá)到要求，須要借助大量積木式乃至全機(jī)實(shí)驗(yàn)來完成硬度設(shè)計(jì)的驗(yàn)證與評估工作，整個(gè)過程除了須要花費(fèi)巨大的財(cái)力物力，稍有不慎就會在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)非預(yù)期的結(jié)構(gòu)損傷和破壞，其風(fēng)險(xiǎn)大、周期長、成本高。
近些年來，人們?nèi)匀辉诩臣痴覍そ鉀Q之策。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，科研人員開始探求將真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及實(shí)驗(yàn)體的化學(xué)性能轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)個(gè)數(shù)字和公式，“投喂”給計(jì)算機(jī)，構(gòu)建起數(shù)字模型，模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)的過程。從此，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
虛擬實(shí)驗(yàn)護(hù)航全生命周期
“虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)是一項(xiàng)集大數(shù)據(jù)、計(jì)算熱學(xué)與硬度理論、實(shí)驗(yàn)數(shù)字化、虛擬現(xiàn)實(shí)等于一體的綜合技術(shù)，借助現(xiàn)代數(shù)字建模、虛擬仿真、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)及數(shù)據(jù)挖掘等計(jì)算機(jī)數(shù)字化手段，在數(shù)字空間完成硬度研究、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行客機(jī)結(jié)構(gòu)硬度的評估與驗(yàn)證。”聶小華表示，虛擬實(shí)驗(yàn)可以指導(dǎo)和輔助化學(xué)實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的成功率，同時(shí)還可以優(yōu)化和降低化學(xué)實(shí)驗(yàn)工況，逐漸取代部份化學(xué)實(shí)驗(yàn)，達(dá)到減少實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)、縮短實(shí)驗(yàn)周期、節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本的目的。
記者了解到，目前一些小型美國客機(jī)公司早已開始采用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)前對實(shí)驗(yàn)體進(jìn)行充分剖析和預(yù)判，在實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與剖析的一致性評估，有效把控實(shí)驗(yàn)周期和風(fēng)險(xiǎn)。
“本世紀(jì)初，國外一些院校和研究所開始進(jìn)行相關(guān)技術(shù)攻關(guān)與積累，目前在個(gè)別領(lǐng)域早已擁有了一定的技術(shù)優(yōu)勢。”聶小華舉例，中國客機(jī)硬度研究所創(chuàng)建的小型客機(jī)靜硬度虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可借助虛擬仿真技術(shù)快速精確模擬實(shí)驗(yàn)件的承載狀態(tài)，提早預(yù)估實(shí)驗(yàn)件的危險(xiǎn)部位及其破壞模式，并經(jīng)過化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與虛擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性評估，可達(dá)到機(jī)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(yīng)用于ARJ21-700、C919、AG600等客機(jī)全機(jī)靜力實(shí)驗(yàn)中，大大提升了實(shí)驗(yàn)精度，減短實(shí)驗(yàn)周期近30%。
虛擬實(shí)驗(yàn)手段的應(yīng)用在客機(jī)研發(fā)過程中產(chǎn)生了虛實(shí)互動融合、雙線并行的實(shí)驗(yàn)新模式，也對研究人員提出了新挑戰(zhàn)。“對實(shí)驗(yàn)環(huán)境的數(shù)字化描述和結(jié)構(gòu)熱學(xué)特點(diǎn)的精確模擬，仍是虛擬實(shí)驗(yàn)面臨的兩大困局。”聶小華強(qiáng)調(diào)。