第十八天：基于试验分析的F-35结构设计、研制和验证

导读：作为“点肆100”计划的一部分，工业4.0研究院拟发布系列文章，谈谈“数字孪生维护”（DTM，Digital Twin Maintenance）相关成果及解决方案。欢迎加入点肆公司（联系方式见文后），共同进入数字工程世界。

作为第五代战斗机的代表，洛克希德·马丁公司研制的F-35应用了大量的新技术，包括读者非常关注的数字孪生体、数字线程等。本文结合到F-35结构设计、研制和验证全过程情况，分析其基于试验分析的方法。

为了便于发挥总包军工企业的积极性，释放其技术创新能力，美军过去20年一直在开展采办改革（原文：a new era of acquisition reform），其主要做法是引入“基于效果的规范”（PBS，Performance-Based Specifications）。

了解美军武器装备质量管理体系的读者应该清楚，基于“效果”这样定性的描述，是美军采办历史上非常大的突破，这实际上给了军工企业非常大的自主权和信任度。

按照对联合项目办公室（JPO，Joint Program Office）的定位，它只是提供洞察（insight），而不应监管（oversight）洛马公司的工作。这实际上也超出了笔者的想象，如果这样“放任”洛马天马行空，出了问题怎么办呢？

显然不只是笔者有这个疑问，从美国国会两院对F-35战斗机项目的听证会情况来看，不少议员对洛马公司有很多意见的。目前处于2022年，F-35战斗机还未通过全速生产标准，据称是因为迄今还没有做完“联合仿真环境”（JSE，Joint Simulation Environment）的各项实战模拟检测。

为了满足F-35战斗机创新和实用两方面的要求，美国国防部跟承包商联合制定了一个完全综合并可实施的飞机结构完整性大纲（即ASIP）。

ASIP提供了一个总框架，包含5项系列任务，以确保关键的工程管理过程、技术规范和计划之间的协调，例如，影响飞机审定的质量保证、制造工程、腐蚀控制、裂纹控制、材料工艺和结构构件开发试验计划等。

任务一：设计信息

设计信息任务是运用现有的理论、实验、应用研究和使用经验，确定材料选择和结构设计的具体标准。它包括：制定ASIP总方案、结构设计准则、耐久性与损伤容限控制计划；设计载荷，选择材料、工艺和连接方法；定义设计使用载荷。

按照PBS模式来管理F-35战斗机研制，其核心为“交付飞机的90%都要满足8000飞行小时和30年使用寿命的全使用寿命周期要求”。

由于参与F-35战斗机研制的国家和企业众多，这就需要建立一套大家都能接受的准则。

洛马公司采用基于裂纹扩展的方法，结合耐久性分析的第90百分位任务谱，以及损伤容限分析的第50百分位任务谱的平均值，对F-35A战斗机进行了使用寿命分析；F-35B和F-35C战斗机的设计采用了裂纹萌生准则结合基于空中临界点的强度使用谱进行耐久性分析，而损伤容限分析则采用裂纹扩展分析方法跟强度空中临界点谱分析。

任务二：设计分析和研制试验

在这个阶段，数字孪生模型数据库的建立是关键的。

按照洛马公司的描述，它建立了数字线程体系，即一套数字孪生模型数据管理机制，便于全球各个承包商共享各种数据。所有数据随时随地更新并可用，完全实现了全球化的全天候协作。

负责F-35战斗机的结构技术小组需要协调大量的工作，包括外部载荷、结构动力学和颤振，以及飞机整机有限元分析和内部载荷。

精通技术的读者马上会想到，这么多数据，它们之间如何共享啊？

为了解决这个问题，结构技术小组要求不管哪种类型的设计载荷，都必须以准静态的方式表示，这样对设计团队来讲就是透明的了，同时还要求能够简单的转化为地面试验载荷。

任务三：全尺寸试验

这项任务的目标是验证设计强度、耐久性、振动、颤振、启动伺服弹性，以及为其他结构分析提供必要的数据，从而使得F-35战斗机具有一个安全的飞行包线，并未后续作战极端提供管理所需的数据。

按照洛马公司对F-35战斗机全尺寸试验情况的描述：超乎寻常。

在两个寿命周期试验结束的时候，F-35A战斗机耐久性试验发现的问题仅为老式飞机试验发现问题的三分之一。在完成三个寿命周期试验结束的时候，这个数据只是上升到二分之一以下。

之所以出现这样的情况，是因为结构设计的效果非常好。采用大量的新型技术（例如数字孪生技术方法），获得了非常高的回报。

任务四：审定与部队管理发展

这个阶段需要对最终产品进行审定分析，研制服役机队载荷测量和单机跟踪工具，为部队制定结构维护计划。

大家如果对AFRL开展的第一个数字孪生工程项目熟悉，那么对上文所讲服役机队载荷测量和单机跟踪等内容不会陌生，这实际上也是现代ASIP的重要发展内容，体现了预测性维护的基本思路。

任务五：部队管理

ASIP的最后一项任务是部队寿命周期管理计划，这是所有努力的最终结果。

虽然在F-35战斗机结构设计、研制与验证阶段采用了大量新的技术，并取得了非常好的结果，但还是要在实际使用中不断改善。

美军最近采用了新的战略和战术，F-35战斗机需要承担某些未预计到的新任务，这些变化会对飞机的使用情况与预测飞机寿命的原始谱不同。可以利用数字孪生维护手段，不断更新数据，从而更新基准使用谱，以预测使用寿命、检查间隔和维护时间。

事实上，部队结构维修计划、单机跟踪和研制服役机队载荷测量报告是通过分析所获得使用数据和飞机使用经验来更新的。

点肆公司相关人员可以在数字孪生体课堂查看每天的演讲文件。其他人员请加入“聊聊F-35战斗机”微信群，积极参与相关交流和讨论，符合条件的人员可以获得当天的演讲文件。

（未完待续）

作者：胡权，工业4.0研究院院长，F-35项目小组负责人

联系方式：huquanbj（微信），huquan@innobase.cn（邮箱）