Модельно-ориентированный подход проектирования (MBSE) систем самолета A350 XWB

Пример внедрения: Концерн Airbus

Изначально модель A350 была задумана, как дополнение к семейству дальнемагистральных лайнеров Airbus, включающему самолеты A330 и A340. Однако авиакомпаниям требовалась инновационная машина с выдающимися техническими характеристиками. Поэтому работы по первоначальному проекту были прекращены, а с 2006 г. нача-лась разработка гораздо более амбициозной программы A350 XWB.

Концерн Airbus предлагает линейку самолетов A350 XWB, в которую входят модели 800, 900 и 1000, отвечающие современным и будущим потребностям рынка в плане эффективности, комфорта и экологичности. Авиалайнер A350 XWB создается на основе самых лучших материалов и технологий. Руководителю отдела внедрения систем моделирования и инженерных расчетов Кристиану Бена (Christian Bénac) требовалось подобрать соответствующие методики решения расчетных задач, которые обеспечили бы сокращение сроков разработки, подготовки производства и начала эксплуатации авиалайнера. Кристиан Бена вспоминает о том, как реализация программы A350 XWB привела к полному пересмотру применявшихся приемов работы.

«За 6,5 лет нам требовалось создать три варианта самолета и обеспечить высокую степень готовности проекта к моменту ввода в летную эксплуатацию».

«В начале программы мы знали, что сможем воспользоваться уже разработанными для A380 современными технологиями, и что эти технологии удастся еще более оптимизировать, — рассказывает Бена. Но было ясно и то, что нам придется внедрять абсолютно новые подходы, чтобы повысить точность расчетов и улучшить проектные летные данные самолета».

«Традиционно основные усилия направлялись на этап верификации продукта и особенно — на проверку соответствия эксплуатационным требованиям авиакомпаний. С учетом ограниченного срока разработки окончательного проекта было крайне важно уделить особое внимание вопросу контроля конструкторских проектных решений и созданию согласованного проекта уже на этапе эскизного проектирования».

Представление технических требований в моделях.

Отдельной группе специалистов было поручено подготовить конкретные примеры использования моделирования и инженерных расчетов на ранних этапах разработки изделия.

«Во-первых, мы должны были реализовать технические новшества в проектах, во-вторых — учесть опыт разработки самолетов A380 и A400M, а в-третьих — включить в стратегические планы нашего предприятия новых поставщиков первого уровня», — рассказывает Бена. Задачей возглавляемой им группы стала разработка высококачественного технического задания для конструкторов, внедрение методов численного моделирования деталей и узлов и обеспечение надежного обмена информацией между заказчиками и поставщиками. «Мы управляем сразу 66-ю проектами в области моделирования и расчетов», — говорит Бена.

Все проекты делятся на две группы. К первой группе относятся задачи проектирования с помощью модельно-ориентированного подхода, который предусматривает выполне ние функционального и логического моделирования архитектуры самолетных систем. Подобные модели описываются графически и позволяют на ранних этапах проверить логику работы системы в различных условиях эксплуатации. Вторая группа проектов предусматривает применение численного моделирования для оценки технических характеристик проектируемых систем в заданных условиях.

Численное моделирование электросистемы самолета.

«Мы и раньше выполняли такое моделирование для всех предыдущих моделей Airbus, но это не было настоящим модельно-ориентированным подходом к проектированию... Для нас такой подход является совершенно новым. Создавая A350 XWB летом 2012 г, мы провели натурные испытания электросистемы нашей железной птицы. Однако, благодаря MBSE мы смогли смоделировать работу всей электросистемы еще два года назад, на этапе конструкторского проектирования. Благодаря этому удалось выявить и устранить возможные проблемы заранее.

Созданная модель электросистемы является функционально-динамической. Она включает в себя все электрические узлы авиалайнера. Данная модель позволила провести расчеты на ранних этапах цикла разработки и значительно повысить качество документации.

Кроме того, мы разработали, например, среду теплового моделирования самолета, в которую были встроены модели, предоставленные нашими поставщиками, — добавляет Бена. Основной идеей было создать MBSE-модели для обмена с поставщиками. Такие модели позволяют продемонстрировать последствия вносимых в конструкцию изменений, которые проявятся уже на этапе эксплуатации (например, при подаче питания в электросистему самолета). Такой подход позволяет поставщикам оптимизировать свои изделия и обеспечить успешное прохождение испытаний. Все это не ново — мы делали такое и раньше, но в значительно меньшем масштабе, на гораздо более поздних этапах разработки и без использования интегрированной среды проектирования авиалайнера.

Мы создали MBSE-модели, описывающие их элементы и влияние этих элементов друг на друга, — поясняет Бена. Функциональные модели целых систем самолета позволили получать все более и более точные результаты анализа и тем самым эффективно оптимизировать конструкцию, а также резко уменьшить число нежелательных побочных эффектов. MBSE-модели показывают, достигнем ли мы заданных технических характеристик, и помогают более тщательно подготовиться к этапу натурных испытаний. Разумеется, результаты расчетов затем проверяются на испытательных стендах».

Управление сложностью

«Ранее, если на испытаниях обнаруживалось что-то непредвиденное, мы зачастую не могли установить подлинную причину проблемы. Что это — обрыв кабеля? Ошибка в конструкции? Или вышел из строя сам испытательный стенд..? Причиной отказа могло оказаться все что угодно, — вспоминает Бена. Теперь же мы можем не только предвидеть все нежелательные эффекты на ранних этапах проектирования, но и, если на испытаниях произойдет отказ, мы способны проанализировать его и выявить причину произошедшего. Проблемы стали понятными и прозрачными.

Без применения моделирования систем мы бы не справились со сложностью проекта A350 XWB. От поколения к поколению авиалайнеров — от A310 до A350 XWB — их слож ность возросла в 100, …в 1000 раз, — отмечает Бена. Для человека, даже для высококвалифицированного специалиста, справляться с такой сложностью стало невозможно. Дело не в том, что технологии стали слишком сложными, дело в соединении различных технологий и систем, в огромном объеме данных и взаимозависимостей. Без модельно-ориентированного подхода было бы невозможно управлять сложностью конструкции самолета и выдавать практически на 100% готовый проект, особенно с учетом сокращения сроков разработки».

Объединение моделей отдельных систем позволяет рассчитывать характеристики всего изделия в целом

По мнению Кристиана Бена, единственный способ оценки будущих технических характеристик самолета в целом — выполнение сквозного инженерного анализа с применением объединенных моделей всех систем: «Я настоятельно советую создателям расчетных моделей с самого начала принять именно такой всеобъемлющий подход. Это не значит, что сразу же надо вводить в модель все имеющиеся функции, но в процессе работы надо помнить о необходимости моделирования изделия в целом и постепенно переходить к данной методике. Моделирование систем на ранних этапах дает массу преимуществ».

«Платформа LMS Imagine.Lab оказалась в высшей степени интуитивно понятной. Мы убедились, насколько хороши могут быть готовые решения сторонних разработчиков. Кроме того, мы стали более открытыми в плане совместной работы специалистов как в пределах концерна, так и с нашими партнерами по бизнесу. Наконец, наши коллеги общаются друг с другом на одном и том же языке техники».

Цифровой самолет

Очевидно, что переход к цифровым технологиям и численному моделированию в авиастроении стал основным средством повышения эффективности производства и снижения себестоимости. Например, у концерна Airbus имеется распределенная сеть производственных мощностей и поставщиков. Создание единой виртуальной рабочей среды сделало возможным совместную работу инженеров, находящихся в различных местах.

Для расчетов композитных элементов и определения размерности самолета A350 XWB концерн Airbus применяет платформу ISAMI, объединяющую все методики, данные и программные решения для прочностных расчетов в единую среду. Среда ISAMI основана на платформе CAESAM, разработанной компанией Samtech. Кроме того, концерн Airbus создал цифровой макет всего авиалайнера и его систем. Цифровой макет выполняет функцию эталона для всех сотрудников, занимающихся проектированием самолета нового поколения.

Мы спросили у Бена: смогут ли методы автоматизированного проектирования и расчетов полностью устранить необходимость в создании опытных образцов? «Первый экземпляр самолета по-прежнему должен проходить испытания. Нашей целью является создание полной цифровой модели воздушного судна, в рамках которой модели каждой системы объединены вместе и обмениваются информацией. Такая цифровая модель не заменяет собой реальный опытный образец для испытаний, но значительно облегчает и ускоряет интеграцию систем самолета. Такова наша цель», — говорит Бена.

Поэтому концерну Airbus требуется обновить применяемые стандарты моделирования. «Приходится признать, что пока возможности объединения моделей различных типов очень ограничены. Это препятствует нашему переходу на новый уровень использования цифровых моделей систем изделия. При этом у нас уже имеются весьма совершенные средства физического и функционального моделирования, а также компьютеры достаточной мощности. Следующим шагом станет объединение моделей различных типов (например, функциональных и тепловых или газогидродинамических и тепловых). Поэтому разработчики систем автоматизированного проектирования должны создать новое поколение стандартов, поддерживающих подобное объединение».

Каким образом численное моделирование применяется в процессе сертификации самолета? «Мы уже применяем результаты расчетов в качестве обоснования при прохождении сертификации, — отвечает Бена. Но это поэтапный процесс, во многом зависящий от качества разработанной модели. Во-первых, мы должны убедить самих себя в правильности созданных нами моделей и процессов. Во-вторых, мы должны убедить в этом органы сертификации по нормам летной годности. Отличие от натурных испытаний состоит в том, что органы сертификации требуют проверить не два-три, а сотни различных вариантов».

Models used to communicate requirements

A dedicated team was set up to drive specific modeling and simulation use cases selected to strengthen the design in the early development stages.

“Our criteria to set up projects was first to tackle technological novelties, second to address lessons learned from the A380 and A400M-program and third to incorporate new (Tier 1) suppliers into our extended enterprise strategy,” Bénac says.

It’s his team’s goal to ensure specification quality in the design cycle, to use M&S to work on a well-defined behavior for that part of the system and to foster clear communication with equipment suppliers and customers.

“We manage a portfolio of 66 M&S projects,” Bénac says.

This portfolio is split into two project types: a first group containing model-based systems engineering (MBSE) projects focused on building models to describe the intended functional and logical architecture of systems or functions; these models rely on graphical formalism and focus on early validation of functional sequences depending on relevant operational scenarios. The second group is more focused on modeling and simulation to assess the physical performances of intended systems under specific operational conditions.

Simulating power-up of the airplane

“We performed simulations on all preceding Airbuses, but real MBSE didn’t exist,” says Bénac. “This is completely new. For the A350 XWB, we performed an electrical power test on the iron bird one month ago (summer 2012), but thanks to MBSE, we were able to simulate this power-up two years ago, while still in the design phase, and avoid potential clashes three years beforehand.

“The power-up model we’ve developed is a timing functional model. It includes every electrical part of any system of the aircraft. Thanks to this power-up model, these analyses were performed in the early phases of the development cycle time and the quality of the specifications systems was significantly improved.”

“We also created, for example, a thermal simulation environment of the airplane in which we have integrated models from our suppliers,” Bénac says. “The grand idea is to build MBSE models dedicated to a specific theme, share these models with our suppliers and demonstrate how their systems react versus changes during operation, for example, during the electrical power-up of the airplane. This enables our suppliers to optimize their system and improve test coverage. All of this is not new; we did it before, on a much smaller scale, much later in the development cycle and not in an integrated aircraft environment.

“We have developed MBSE models describing the comportment of systems and how they influence one another’s behavior. By making better and earlier predictions using functional, dedicated, full airplane MBSE models, the airplane is optimized more efficiently and the amount of undesired side effects is drastically reduced. Our simulation models make it possible to know beforehand whether we have reached the performance targets so we can prepare the test phase with more insight. These productive results will, of course, be checked on the test rig.”

Mastering problems and complexity

“Before, when an unexpected behavior was discovered during the test phase, people were often in the dark about the root of the problem: was it a cable, a design fault, the test rig itself? Almost anything could be causing the malfunction,” Bénac says. “Now, not only are we able to foresee an unexpected effect in an early development phase, but if a malfunction appears during a test, we are able to support analysis and classify it with more insight. Problems have become transparent.”

Without an advanced M&S approach, it would be impossible to manage the A350 XWB’s complexity.

“Through different aircraft generations, from the A310 to the A350 XWB, complexity has increased with a factor of 100 to 1000,” Bénac says. “For a human, even an expert, it’s no longer possible to master and oversee this complexity. It’s not the technology itself that has become complex, but the accumulation of technologies and systems, the volume of data and the amount of interdependencies. It has become impossible to master the development of an aircraft, given the pressure to shorten the development cycle and to generate an almost 100 percent maturity rate upon EIS, without MBSE help.”

Connecting models to predict global performance

“The need to perform global end-to-end analysis and, to that end, line up and connect different models will only increase, because it’s the only way to predict global performance,” says Bénac. “I really recommend that model builders adopt this end-to-end philosophy from the moment they start building a model. This doesn’t mean that all functions need to be available right from the start, but that you have to work keeping the end-to-end philosophy in mind and implement it step-by-step. Early deployment generates early benefits.

“The intuitive aspect of Simcenter Amesim has been very powerful. It has opened the eyes of people to the use of external off-the-shelf products. And with that, it has opened the minds to more internal and external collaboration opportunities. It also enables our colleagues to communicate in the same engineering tongue.”

Digital bird

It’s obvious that digitalization and simulation have become a major driver for production and cost efficiency in the aeronautical industry. Airbus’ aircraft programs involve, for example, a geographically extended ecosystem of production facilities and suppliers. The creation of one single virtual work environment has made it possible for engineers to work seamlessly together, as a virtual team, no matter where they are located.

For the composite and structural sizing of the A350 XWB, Airbus uses the Improved Structural Analysis through Multidisciplinary Integration (ISAMI) platform that integrates all structure analysis into a single computer-aided engineering (CAE) framework, embedding the computation processes, methods, software tools and data. ISAMI is based on LMS Samtech Caesam™ software from Siemens Digital Industries Software. Airbus also created a virtual mockup (DMU) of the aircraft and its systems. This tool serves as a master reference for the entire team working on this next-generation jetliner.

Whether digitalization and simulation eventually will make prototypes redundant, Bénac remarks, “The ‘aircraft -1’ still corresponds to a need for product verification. Our target is the full digital aircraft in which the different MBSE models are connected and communicate with each other. This digital bird is not serving as a prototype, but as a means to make integration a lot easier and faster. That’s our purpose.

“You could easily say that the possible connection of the various model types is currently limited. This limit is an issue hindering our MBSE and higher-level digital progression. Physical and functional tools are mature enough and the computing power is available. The next step will be to connect several model types (for example, thermal and functional, or CFD and thermal). Therefore, tool editors should engage in working on a next generation of standards allowing this interoperability.”

How is simulation used in the certification process? “We already use simulation as a credit for certification,” answers Bénac. “But it’s a step-by-step process and progression largely depends on your model maturity. First, we have to convince ourselves about the fidelity of our models and our process. Second, we have to convince airworthiness officials and increase external trust. The difference with a physical test is that instead of running two or three scenarios, officials will ask you to run an extra multitude of alternative scenarios.”