航空航天工程服务公司使用 Simcenter STAR-CCM+ 降低飞机认证成本

认证成本更低

“我们之前以为要进行我们见过的最无聊的飞行测试计划，”波音公司总工程师韦恩·泰格特（Wayne Tygert）在描述用于认证的 787-10 梦想客机试飞计划之一时说。

在描述三架测试飞机、数千项法规、超过 4,000 份文件和数百万美元、花费 900 小时的事情时，人们通常想到的第一个词不会是“无聊”。什么是 787-10？对已经认证的 787-9 的中间部分进行简单的扩展，以容纳 40 多名乘客。最初的 787 梦想客机从申请到新设计的认证花了八年时间，飞行测试时间为 4,645 小时，美国联邦航空管理局（FAA）专家花费的时间超过 200,000 小时，认证成本要高得多。

获得飞机认证，无论是新的还是改装的飞机，都是一个漫长、昂贵和官僚主义的过程，尽管它已经成为最安全的运输方式。从历史上最大的飞机到由钢和织物制成的小型双座飞机，每架飞机都需要证明适航性和合规性，并在运营前获得监管机构的认证。

认证成本高昂

据估计，一级飞机（三个座位或以下）的认证费用为 100 万美元，通用航空飞机的认证费用为 2500 万美元，商用飞机的认证费用超过 1 亿美元。认证成本和延误可能高达数百万美元，有时消耗的资金与开发飞机的成本一样多。这个过程通常可以决定盈亏。

由于设计不符合认证要求，需要昂贵的重新设计和飞行测试，经常出现计划延迟、错过交付日期、成本超支和安全问题。公司如何减少认证成本和时间？能否在证明适航性的同时减少昂贵的测试？

TLG Aerospace 的罗伯特·林德 (Robert Lind) 和安德鲁·麦科马斯 (Andrew McComas) 在飞机设计、开发和认证方面拥有 45 年的综合经验，对这些挑战并不陌生。他们简陋的办公室位于西雅图联合湖一栋不起眼的六层建筑中的一层，这掩盖了其经验和专业知识，而其客户名单读起来就像现代航空界的名人录。TLG Aerospace 已帮助众多客户在短时间内以低成本获得美国联邦航空局（FAA）认证，他们以惊人的效率实现了这一目标。

依据分析认证

FAA飞机认证包括三个阶段：设计认证、生产认证（PC）和适航认证（AC）。设计认证阶段涉及设计安全性、可操作性和耐久性的批准，新设计的机型证书（TC）和修改设计的补充机型证书（STC）。PC 阶段批准制造零件、组件和系统，而 AC 阶段批准操作飞机。

该过程与全球其他监管机构类似。美国联邦航空局（FAA）要求通过测试或分析进行认证，并通过测试验证。业界称之为分析认证（CBA）。这些分析是使用整车模型进行的，该模型由认证机构事先商定的飞行包线指定范围内的飞行测试进行验证。整机模型包括：

• 空气动力学：计算流体动力学（CFD）、低阶方法、风洞和手册分析的组合，通过飞行测试中的压力和应变测量得到验证
• 结构分析：有限元分析（FEA）和手册计算通过地面振动测试（GVT）和地面测试中的静载荷进行验证
• 质量属性：计算机辅助设计（CAD）和质量砝码通过称重验证
• 飞行控制系统：通过综合仿真和试飞验证的飞行控制定律

集成整机模型最终通过飞行测试进行验证，并且必须证明是准确或保守的。认证机构确保分析将产生安全的结果。原始设备制造商（OEM）通常关心的是限制保守性，以避免过重和性能下降。

TLG Aerospace 的 CFD 认证方法

“如今不同的是，可以在认证过程中进行多少分析与可以使用多少分析之间的平衡，”TLG Aerospace 飞行颤振分析师指定工程代表（DER）、工程总监林德说。“在我从事该行业的 30 年中，这是一项非常令人兴奋的发展。随着 CFD 方式和计算机的功能越来越强大，我们可以更快、以更低成本进行认证。”

林德的大部分工作都涉及让客户通过分析进行机型认证。作为 TLG Aerospace 的四名常驻 DER 之一，他可以代表 FAA 签署某些认证职能。TLG Aerospace 使用 Siemens Digital Industries Software 的 Simcenter STAR-CCM+ ™ 软件进行 CFD 分析，并使用 MSC Nastran® 软件进行有限元分析以开发载荷、颤振和处理质量的整机认证模型，并针对整个飞行包线进行适当建模。

TLG Aerospace 的工程经理兼空气动力学家安德鲁·麦科马斯指出：“我们在与设计不同的认证环境中使用 Simcenter STAR-CCM+。CFD 在认证过程中发挥着重要作用。我们不使用 CFD 来获得 FAA 签署的答案。我们使用 CFD 构建全尺寸的航空/结构/控制模型，以便我们可以模拟飞机的响应并生成载荷和处理信息。”

要认证新飞机，需要空气动力学数据库。要构建整个分析数据库，需要在短时间内提供数十万个条件的数据。飞行器的空气动力学特性是在设计和极端飞行包线下使用 CFD 计算的。CFD 结果被映射到气动弹性过程中的降阶空气动力学模型。TLG Aerospace 校准气动弹性模型，以开发以刚性 CFD 为基础的整机气动弹性解决方案。最终的气动弹性模型将在刚性模态下再现整机集成和分布式空气动力学，并在几秒钟内产生收敛的气动弹性解决方案。

这些预测现在已经到位，可表明在某些条件下符合法规。然后，飞行测试验证分析模型。这种验证可能仅限于小于整个飞行包线的范围，以降低飞行测试的风险。一旦通过验证，它可用于在其他飞行条件下证明合规性。拥有高保真飞行前测试模型可显著减少所需的飞行后测试模型调整和校准量。

通过 Simcenter STAR-CCM+ 降低认证成本

麦科马斯认为 Simcenter STAR-CCM+ 和 Amazon Web Services (AWS) 助力在降低认证成本方面取得了突破性进展。

“Simcenter STAR-CCM+ 通过简单的流程和典范做法稳健、准确和重复地运行，”麦科马斯说。“这让公司相信这种做法可以用作生成航空数据库的来源。西门子按需授权方式支持 AWS 弹性计算，可以通过安全的方式在云端同时对多个计算集群运行多个仿真。若不是得益于 POD 授权方式，我们就无法充分利用弹性计算资源，也就无法削减年度授权的成本。”

简而言之，整个航空数据库是在更短的时间内建立的，具有成本效益的许可。额外的优势是什么？减少风洞测试。

CFD 还是风洞？答案是两者兼而有之：TLG Aerospace 拥有 100 多次低速和高速风洞测试活动的经验，在测试方面拥有丰富的实验背景。那么风洞测试是否失宠了？事实并非如此。

通俗地说，风洞仍然是王道，只是越来越多地将职责委托给值得信赖的 CFD 咨询委员会。风洞测试仍用于新飞机配置的航空数据库开发。然而，CFD 在某些条件下补充了测试，并在其他条件下取代了测试，从而节省了大量成本。图 4 是 TLG Aerospace 对传统 CFD 方式和 Simcenter STAR-CCM+ 风洞测试进行的概念比较。只需极少的投资，Simcenter STAR-CCM+ 就可以减少和取代一些测试需求。考虑到风洞测试的使用率和模型成本，这可以转化为大量的时间和成本节省。

风洞测试仍然最适合于初期分离方案，如大迎角和侧滑处理分析。CFD 最适合中等迎角和详细的流场调查。

麦科马斯说：“如今，大型数据库可以在 Simcenter STAR-CCM+ 中运行，而成本和时间仅为传统方法和风洞测试的一小部分。这在十年前是不可能实现的。”

借助弹性计算和云许可，同时运行大量 CFD 工况也不会遇到技术限制。TLG Aerospace 还能够定期运行大型、完全详细的仿真，大多数模型在一小时内即可运行，无论其大小如何，这在以前都是不可能的。

TLG Aerospace 将弹性计算与 AWS 结合使用，每次 CFD 仿真可节省 75% 的总成本。背后的技术就是 Amazon EC2 Spot 实例，这是一项 Amazon 产品，可以超低折扣利用 AWS 云上未使用的计算容量。

CFD 对于认证并非一招制胜

对现有型号认证飞机的修改和添加事项将影响法规。通过新的修改将旧机身带到飞行包线的极限是危险、昂贵和耗时的。美国联邦航空局（FAA）允许 CFD 作为证明原始飞机的合规性未因修改而发生改变的一种手段。像 TLG Aerospace 这样的公司已经全心全意地采纳了这一点，利用 CFD 生成支持数据和论据来证明合规性。

“过去，工程师必须毫无疑问地对任何修改进行测试。现在，CFD 提供了数据，以尝试消除一些测试需求，”麦科马斯说。

认证中的其他 CFD 应用包括二级结构、整流罩、天线和天线罩上的压力载荷、积冰、空气数据系统定位、内部流动、小翼等。

以下是其中一个场景：想象一下，一个新的天线罩固定在飞机上。为了遵守法规，制造商现在必须证明，如果结构从飞机上脱落，它将安全地分离而不会受到影响。祝您在折断天线罩的飞行测试中顺利！在证明新结构结冰不会影响合规性和运营安全性方面也存在类似的挑战。

“这里唯一可行的选择是使用经过验证的分析来证明该结构符合安全分离标准，”麦科马斯说。“对于 TLG Aerospace 而言，Simcenter STAR-CCM+ 内置了所有工具，无需其他第三方软件即可进行这些计算。”

此外，无人机和空中出租车、军用飞机、重生的超音速飞机等新型创新飞机的冲击也将受益于分析认证。

CFD 中的 “C” 代表认证

“Simcenter STAR-CCM+ 为获得众多 FAA 批准的证书做出了贡献，”麦科马斯说。“它在 TLG Aerospace 的每个认证计划中都发挥着作用。”

随着计算机、代码和许可的不断发展，CFD 不太可能完全取代风洞测试。然而，CFD 在认证中的作用只会随着时间的推移而增加，以补充和辅助飞行测试。

目前，像 TLG Aerospace 这样的公司已经在 CFD 认证中找到了一个可靠的主力军，它可以在极端的飞行包线下执行证明合规性的繁重工作，减少飞行测试条件的数量，使测试能够降低负载并预测潜在的测试危险。灵活的许可和弹性计算进一步巩固了通过分析进行认证的理由。

麦科马斯说：“我们现在可以竞标范围更大、更具竞争力的项目，将节省的成本传递给我们的客户，并用我们的钱做更多的事情。”