基于数字孪生体的F-35结构完整性设计案例

在近期发布的《数字孪生国防白皮书》中，引用了2019年众议院军事委员会对F-35战斗机的评价，即在整个寿命周期中，F-35成功引入了数字孪生体技术，实现了飞机结构完整性项目（ASIP，Aircraft Structural Integration Program，即MIL-STD-1530D）要求，达到了低成本和延寿的目标。

随着武器装备软硬件二八定律倒置趋势日益明显，美国国防部利用第四次工业革命带来的机遇，经过充分研究，找到第五代战斗机的共性技术和模块，专注F-35A/B/C三款装备的研制，逐步引入数字孪生体等新一代数字技术。

飞机结构强度标准经历了保结构安全理念到结构完整性理念的转变，简单讲，过去主要以安全寿命设计、破损安全设计和损伤容限设计为主，现在以及未来将更加强调飞机结构完整性实现，即面向提升飞机的经济性和实用性能的应用。

F-35作为引入新型技术最多的战斗机，完整贯彻了美军标MIL-STD-1530A的ASIP要求，在研制过程中的一些经验，进一步完善成为了2016年发布的MIL-STD-1530D。

从采用ASIP实现飞机研制的经验来看，F-35可以称之为最佳案例。

结合到北航鲍蕊等人论文中介绍F-35实现ASIP五个部分任务的资料，本文尝试用工业4.0研究院掌握的数字孪生体工程知识，对此进一步分析介绍，以展现F-35战斗机作为数字孪生体概念体系应用典范之意义。

第一项任务：设计资料

对于F-35战斗机的结构设计基本要求，包括了安全、耐用和耐损坏的飞行器，可以服役30年或8000飞行小时，还有战斗半径、有效载荷在内的功能性要求等。

这项任务主要内容包括ASIP主计划，结构设计准则，耐久性和损伤容限控制计划，腐蚀防护控制计划，无损检测控制计划以及材料、工艺和连接方法的选择等。

F-35在设计阶段提出了无损检测（NDI，Non-Destruction Inspection）的要求。美国空军研究实验室在2013年启动的全球第一个数字孪生体项目ADT，就是基于NDI来开展的。F-35在设计阶段就提供NDI能力，对实现数字孪生体应用很有帮助。

第二项任务：分析验证

在结构设计的时候，就提出了研究内外部载荷、结构动力学和颤振以及进行有限元分析的要求。这个分布毫无疑问是传统仿真的领域。

由于ASIP非常关注飞机的使用寿命，F-35开发了初步使用的载荷谱，用来保证结构设计寿命方面的要求。

采用外载荷数据，以此进一步细化主结构传力路径所需要的内载荷水平，据称项目团队开发了全机有限元模型，内外载荷数据利用数字孪生体及时更新，促使设计的飞机机构跟符合ASIP确定的目标。

第三项任务：全尺寸试验

在这个阶段，F-35建立了全面的地面和飞行测试，其目标是验证设计中的强度、耐久性、振动、颤振、启动伺服弹性，并为其他结构分析提供数据，最终形成F-35使用的包线和机队寿命管理数据。

如果读者熟悉ADT项目，就清楚当时在F-15C上面的P2IAT机队管理方法，直接就可以应用到F-35战斗机上来，由于NDI事先植入，其延寿计划的实施效果更好。

第四项任务：审定与管理

按照ASIP的要求，F-35项目合格审定的核心是数字孪生体分析，即对仿真结果和测试结果进行相关分析。简单讲，通过F-35的地面测试和飞行测试等数据，补偿飞行仿真器数据（Flight Simulator Data）的不精准。

在第四项任务期间，需要将第三项任务测试结果用于修正第二项任务的设计分析。通过这样的方式，形成了全寿命周期的可持续改进模式，数字孪生体的核心价值就体现出来了。

第五项任务：机队管理实施

当F-35部署到作战部队的时候，利用NDI预植入，可以不断收集和分析机队使用的实时数据，做出更准确的寿命预测。同时，机队管理中心还可以通过不断的飞行训练或实战，发现飞机在飞行包线的最优表现，研究出更好的战术手段。

第五项任务跟全球第一个数字孪生体项目类似，得益于NDI的广泛应用，F-35能够实现更轻松和更低成本的维护和使用，提升部队的作战能力。

综上所述，F-35采用基于数字孪生体的结构完整性设计，为持续改进提供了基础，这也是它不断提升寿命周期的根本原因，据称F-35可以满足1万小时的飞行时间。

工业4.0研究院将持续对F-35进行研究，提炼出数字孪生装备（DTE，Digital Twin Equipment）的理论体系，选择合作方共同验证相关理论和技术，充实数字孪生国防（DTD，Digital Twin Defense）的内容，为迎接新一轮军事革命做出贡献。

作者：胡权，工业4.0研究院院长，数字孪生体联盟理事长