第十九天：利用FEM降低F-35B飞行颤振试验成本

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。

对于任何飞机来讲，飞行试验验证是不可或缺的一项任务，它是检查飞机是否满足设计要求的手段，飞行颤振测试（FFT，Flight Flutter Test）是验证试飞中技术难度大、风险高及费用高的关键要求。

洛克希德·马丁（简称“洛马”）为此引入了FEM仿真方法，力求在降成本同时保证质量。

从F-35结构开发部门主任Robert Burt一份名为《F-35B战斗机动态模型验证》（Aircraft Level Dynamic Model Validation for the STOVL F-35 Lightning II）的演讲文件来看，针对颤振的F-35结构认证计划，利用FEM仿真方法，降低了地面测试的时间，同时较少了成本。

众所周知，F-35战斗机在设计和研制的时候，洛马采用了大量的新技术，包括基于仿真的设计（SBD，Simulation-Based Design），跟数字孪生体和数字线程等技术结合起来，既实现面向性能的设计（DfP，Design for Performance），又能够不断改进降低成本。

按照国内行业人士的认识，设计、研制和优化的软件自然属于工业软件，通过F-35战斗机研制中引入新的方法和流程，传统的工业软件显然无法支撑了，这就意味着形成了新一代工业软件。

要达到实物试验的效果，F-35B必须拥有高保真FEM。随着计算能力特别是超算技术的发展，建立飞机的高保真FEM已经成为容易的事情。

针对F-35B，洛马建立了所有部件的FEM模型，包括25万个有限元、18万个网格和100万个自由度，这样让数字模型达到了数字孪生模型要求的精度，能够有效表达F-35B战斗机的物理实体，并可以开展相关分析工作。

洛马特别强调F-35B战斗机FEM模型不断更新的做法，这对于FEM模型的确认至关重要，同时这也是跟传统的仿真方法不同的地方。

对于数字孪生测试过程，分为两个方面：

一是模块测试（Component Tests），涉及到飞行控制作动器（Flight Control Actuators）和控制面；

二是飞机测试（Aircraft Tests），包括自由飞行和刚度测量、结构耦合测试（SCT，Structural Coupling Tests）和地面振动测试（GVT，Ground Vibration Tests）。

据洛马分析报告披露，利用FEM仿真手段对颤振分析结果，跟地面振动测试的结果高度吻合，这意味着一件事情：FEM仿真结果是可信的。

对比中航工业成都飞机设计研究所研究人员于2020年发布在《航空学报》上的《先进战斗机气动弹性设计综述》（链接：https://hkxb.buaa.edu.cn/CN/html/20200603.html），李秋彦等人对飞机启动弹性设计做了很好的介绍。

上述作者结合到自身开展新一代战斗机的工作情况，对计算流体力学的分析方法做了评价，这对数字孪生维护的研究工作颇有启发。

作者称，“基于CFD的气动弹性分析方法可以分析各种复杂流动下的气弹问题，但是计算效率偏低，计算精度高度依赖于设计人员的经验，缺乏标准化流程。在颤振模型风洞试验方面……但在模型设计精度、材料选取和制造工艺方面缺乏统一规范标准和流程，风洞试验流场控制、亚临界颤振边界预测和模型防护等技术仍需进一步提高和完善。”

需要指出的是，前述洛马分享内容，发生在2009年。

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。其他人员如需加入“聊聊F-35战斗机”微信群，请联系零点壹（微信：punkt1，告知姓名单位）。

（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）

参考资料（微信群参与讨论可获取）：

1. Aircraft Level Dynamic Model Validation for the STOVL F-35 Lightning II，2009

2. A Modern Course in Aeroelasticity（书籍），2022

3. Introduction to Aircraft Aeroelasticity and Loads（书籍），2015

4. Introduction to Structural Dynamics and Aeroelasticity（书籍），2011

5. 先进战斗机气动弹性设计综述，2020

6. 飞行器非线性气动伺服弹性力学，2021

7. 气动伺服弹性研究的进展与挑战，2015

8. 高超声速飞行器气动弹性的近期进展与发展展望，2010

9. Aeroelasticity，未知