項(xiàng)目介紹

    來自阿拉巴馬州亨茨維爾QinetiQ的生命周期研究中心的服務(wù)和解決方案團(tuán)隊(duì)支持美國陸軍航空和導(dǎo)彈研究、發(fā)展和工程中心(AMRDEC)，以及航空工程指揮部（AED）和結(jié)構(gòu)與材料部（SMD）。QinetiQ結(jié)構(gòu)工程師Michael Chandler描述到：AED是“美國聯(lián)邦航空局（FAA）的軍用版”，負(fù)責(zé)軍用飛機(jī)的適航管理。QinetiQ的主要任務(wù)是對(duì)即將成為軍用飛機(jī)新部件和系統(tǒng)的性能進(jìn)行工程分析和檢驗(yàn)。

挑戰(zhàn)

    目前一大部分軍用飛機(jī)是基于傳統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)的。這些飛機(jī)的規(guī)劃經(jīng)理們面臨著如何將新的技術(shù)融入到這些舊平臺(tái)的巨大挑戰(zhàn)，使這些飛機(jī)滿足當(dāng)前不斷擴(kuò)展的任務(wù)需要。然而，這些新的設(shè)備和系統(tǒng)的加入通常會(huì)增加飛機(jī)的重量。為了在持續(xù)添加新技術(shù)組件的同時(shí)仍保持飛機(jī)的性能，飛機(jī)的一些部件就需要進(jìn)行減重。

    “從飛機(jī)上減掉的每一磅將轉(zhuǎn)化成性能的提高”，Chandler說，“有OEM廠商曾經(jīng)確定1磅的減重為他們平臺(tái)節(jié)省的價(jià)值相當(dāng)于1百萬美元——這就是為什么減重是那么重要的原因。”

解決方案

    QinetiQ的生命周期解決方案商業(yè)團(tuán)隊(duì)在對(duì)舊型飛機(jī)的新部件設(shè)計(jì)時(shí)采用優(yōu)化技術(shù)解決重量問題。通過以前由SMD（仿真數(shù)據(jù)管理）的合作與部門主任Mark Smith和主管Dr.Robert Vaughn建立的合作關(guān)系，從而與AED部門合作進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化成為可能。利用HyperWorks，QinetiQ工程師可以通過仿真來建議需要采用優(yōu)化的部件，實(shí)現(xiàn)減重。“我們給政府客戶展示哪些部件是可能實(shí)現(xiàn)減重的”，Chandler說，“然后規(guī)劃經(jīng)理決定是否將該理念用于最后的設(shè)計(jì)流程。”

    QinetiQ的成功在軍用Kiowa直升機(jī)的改進(jìn)中得到了見證。Kiowa偵察直升機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)是在60年代早期設(shè)計(jì)的，但該型直升機(jī)仍是軍用航空機(jī)隊(duì)的主要部分。“Kiowa直升機(jī)已經(jīng)服役了幾十年了”，Chandler說，“我們的任務(wù)就是通過減重，讓它們看起來及用起來都跟新的一樣，從而在執(zhí)行任務(wù)時(shí)更高效。”

    面臨著嚴(yán)峻的減重問題，一個(gè)由武裝偵察直升機(jī)項(xiàng)目管理辦公室領(lǐng)導(dǎo)的集成產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)（IPT），確定了降低整機(jī)重量的幾十個(gè)減重方案并進(jìn)行了優(yōu)先級(jí)排隊(duì)，其中Kiowa的艙門減重就屬于高優(yōu)先級(jí)。

    該直升機(jī)有兩個(gè)大的為后座乘客/航電設(shè)備使用的艙門及兩個(gè)小的為機(jī)組成員使用的艙門。IPT考慮將艙門制造成復(fù)合材料作為一種潛在的減重措施，并向QinetiQ尋求他們的工程想法。

圖1 一種可能的武器掛架

圖2 Michael Chandler和OH-58艙門

    QinetiQ結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)采用Altair HyperWorks中的OptiStruct優(yōu)化工具通過復(fù)合材料優(yōu)化的創(chuàng)新方式實(shí)現(xiàn)艙門減重。

    “首先，我們建立一個(gè)艙門模型并配置成實(shí)體鋪層形式來初步了解OptiStruct能給我們帶來什么”，QinetiQ的主任工程師Jeff Finckenor說，“然后我們決定采用泡沫芯層處理艙門的設(shè)計(jì)。”

    采用OptiStruct，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在艙門中心使用半英寸厚的泡沫，在外部邊緣保留了實(shí)體鋪層。4層復(fù)合材料用來覆蓋艙門的兩邊。

    團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多次優(yōu)化迭代并比較了各種各樣的構(gòu)型，如實(shí)體艙門vs泡沫/薄板三明治式；玻璃纖維vs碳纖維（最終選擇）；蜂窩芯材vs結(jié)構(gòu)泡沫（該泡沫較容易制造成形）。OptiStruct用來比較各種材料的效果，從而優(yōu)化鋪層的厚度和疊層次序。

圖3 OptiStruct優(yōu)化過程

結(jié)論

    采用泡沫/鋪層設(shè)計(jì)和OptiStruct優(yōu)化，QinetiQ成功將乘客艙門重量從原來鋁制艙門的9.26磅減至5.8磅。這樣，兩個(gè)乘客艙門、貨艙門及機(jī)組成員艙門的總減重達(dá)到12.7磅。

    “這些數(shù)字固然重要，但真正的意義是能帶來操作性能的提升。”QinetiQ工程服務(wù)高級(jí)副總裁Neal Petree說，“重量的減輕表明飛機(jī)可以飛得更高、更遠(yuǎn)或可以裝載更多的燃油或設(shè)備。這是真正意義上的節(jié)省，不僅僅是制造成本方面。重量的減輕可以讓飛機(jī)增加新的技術(shù)組件來滿足未來任務(wù)的需要。

    除了OptiStruct，QinetiQ團(tuán)隊(duì)還使用HyperMesh和HyperView進(jìn)行機(jī)艙門的優(yōu)化。該團(tuán)隊(duì)還使用HyperWorks來優(yōu)化通用導(dǎo)彈告警系統(tǒng)的分配器安裝和復(fù)合通用武器掛架。現(xiàn)在QinetiQ結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)還在考察其它幾個(gè)項(xiàng)目，決定是否在接下來的一年完成進(jìn)一步減重的可行性。

    “HyperWorks是幫助我們以前所未有的方式支持軍用航空制造的工具，”Finckenor說，“HyperWorks軟件促使我們的軍隊(duì)更現(xiàn)代，飛行器更安全。”

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本文標(biāo)題：QinetiQ借助HyperWorks優(yōu)化技術(shù)使軍用Kiowa直升機(jī)更輕,飛得更遠(yuǎn)

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