構成飛機的眾多子系統本身由許多部件組成。所有這些複雜性使得分析機身和飛機子系統的強度和結構完整性成為一項重大挑戰。部件需要滿足強度、變形、損傷容限和疲勞耐久的適航認證要求。
為了有效地實現這些工程目標，在飛機研發的所有階段，需要完全整合設計和高精度的結構模擬驗證方法。基於 3DEXPERIENCE®平台，在產品早期設計階段，達梭系統提供的解決方案可以幫助使用者獲得較好的設計方案，同時縮短開發時間並降低開發成本。該解決方案基於工業界一流的 Abaqus 求解器技術，Abaqus 具備很強的可擴展性，支援從線性模擬到高度非線性模擬的結構模擬方法。子結構和子模型技術可用於將載重資訊從整體結構層級向下傳遞到子系統層級。此外，獨特的斷裂力學功能可對損傷容限行為進行分析。
結構驗證要求
航空業常用的薄壁結構容易受到各種失效模式的影響：靜態或動態過載、屈曲、疲勞、蠕變等導致的斷裂。結構驗證的目的是，研究在任何臨界載重條件下，這些模式會不會導致結構失效。商用飛機的結構驗證有嚴格的適航認證要求，美國聯邦航空管理局（FAA）發佈在
《美國聯邦法規》（ CFR）第14篇第25部C小節，歐洲航空安全局（EASA）發佈在CS-25的C小節。為確保結構符合適航要求，一般需要對不同層級的結構（從全尺寸結構到樣片層級）進行實體驗證和模擬驗證。
近年來，飛機嚴重延遲和停飛現象屢屢出現，凸顯出在早期設計階段確保飛機符合監管要求的重要性。力學行為複雜、失效模式新穎的輕質複合材料的廣泛使用，導致產品驗證更具挑戰性。
模擬解決方案
對於設計階段和認證階段所需的結構驗證，達梭系統提供全面的模擬解決方案，包含靜態與動態強度、損傷容限和耐久性。子系統內材料的靜態強度驗證是基本要求。金屬結構和碳纖維增強塑膠等複合材料也可以驗證，子系統內部零件之間的複雜連接關係可以精確建模。無論是在工作站或雲端，工作人員都可以使用模擬，計算應力、應變、變形和失效指標，確定屈曲負荷和破壞載荷。對於內部結構複雜的複合材料，需要為所有鋪層提供臨界值，以計算安全容限。
起落架、襟翼和其他控制面等許多子系統都是柔性設計的，能夠承受動態負荷。工程師可以運用運動學和柔性連接定義對設計方案進行組裝，創建出多種不同姿態的資料模型，從而捕捉全面的飛行行為。然後使用隱式求解和顯式求解程序，對飛機著陸等動力學事件進行仿真，評估子系統的動態強度。
飛機子系統中的材料失效模式通常是複雜、漸進且非線性的，並且可能在許多載荷循環作用下緩慢發生。基於適當的損傷起始準則，有助於工程師預測局部材料失效的發生。然而就認證而言，還需要證明在結構的整個生命週期內，初始缺陷不會導致災難性失效，即結構具有損傷容限。達梭系統結構模擬解決方案支援金屬裂紋擴展模擬、複合材料漸進損傷以及結構脫粘的獨特功能，幫助工程師判斷預損傷結構的殘餘強度。
當子系統層級模擬時，為確保使用正確的模型屬性，通常需要事先進行樣件級測試與模擬。基於樣件層級的實驗數據，對模擬結果進行校準，以確定彈性與塑性材料屬性、近似的緊固件行為、損傷初始和漸進準則。採用這種廣泛應用的建模方法，針對幾何結構簡單的模型模擬，也可以藉助先進的結構模擬技術。
此外，SIMULIA還能對高應力點進行疲勞耐久性後處理，依據零件和連接件的歷年使用狀況，如機動飛行、起降事件和地面操作，預測零件及連接件的壽命。
基於虛擬模擬技術驗證結構性能：節省時間
全球航空工業發展趨勢對航空結構的驗證提出若干挑戰。設計週期的加快，需要企業縮短結構驗證的時間。
基於3DEXPERIENCE平台，在搜尋正確資料和開發正確驗證模型方面，可以減少時間。透過協同與自動化，將結構建模時間從幾個月壓縮到幾個星期。
3DEXPERIENCE的協同屬性支援多個使用者或團隊並行開展工作，共同為大型子系統開發結構模型。透過協同的方法，支援重複使用企業最佳實踐。
在早期設計階段，讓模擬發揮價值
企業應該盡可能在研發早期做出重大決策，那麼在研發後期因設計迭代引起的成本增加相對可控。在早期設計階段，需要獲取詳細的機身性能信息，才能對設計產生有效的影響。真實的工程模擬能夠為所有開發階段的設計決策提供支持，在減重的同時保持足夠的效能裕度。在製作第一台實體樣機之前，完成效能分析，有助於降低試驗失敗的風險，不僅能節省時間與成本，還能增強產品開發的信心。
在3DEXPERIENCE平台上，完全關聯的設計整合，加速產品初期開發階段的結構模擬建模。除了創建結構的幾何數據，設計工程師通常能控制部件屬性（如複合材料鋪層和材料指定）和緊固件數據。模擬模組可與CATIA幾何體創建、複合材料設計和緊固件應用完全整合，能夠確保在結構模擬模型中重複使用這些資料。
因為所有層級的模擬模型都基於設計模型並與之相關聯，所以設計更新很容易傳遞給所有模擬工程師，助力他們基於設計的變更，有選擇或自動的執行網格劃分和模型更新。同樣的，設計關聯性使得模擬驅動設計理念得以落地，基於模擬結果對結構進行迭代更新。
提升通過適航認證的信心
在所有設計階段，採用高精度、可擴展的力學解決方案，有助於提升通過適航認證的機率，並降低專案風險。
達梭系統為線性和非線性結構力學提供統一的求解器解決方案，包含靜態和動態結構模擬，以及熱應力模擬。可以考慮所有類型的結構非線性模擬。特別是，基於幾何體的表面平滑，具備強大的通用接觸能力。
全面的材料本構模型庫：包含線性和非線性彈性、塑性以及漸進損傷，支援金屬、複合材料和輪胎真實建模。此外基於開放的接口，可以整合用戶自訂的材料模型。
獨特的斷裂力學功能：支援擴展有限元素方法（XFEM）研究金屬和複合材料的裂紋擴展，支援虛擬裂紋閉合技術（VCCT）或基於表面的內聚力模型對結構脫黏行為進行模擬。
透過測試用例將需求連接到模擬的能力，確保企業研發流程的可追溯性。此外，也確保模擬模型和模擬結果與原始設計資料的可追溯性。
減少成本高、難度高的實體測試
利用模擬來指導和最佳化昂貴的大尺度試驗，有助於避免試驗失敗。採用真實的結構模擬降低此類試驗的風險乃至取代此類試驗，可以產生巨大的業務價值。
對於涉及結構破壞性的物理試驗，大型子系統的成本超過1,000萬美元，全尺寸飛機的成本超過1億美元。這給工程師帶來巨大的壓力，他們需要減少物理試驗的數量，並盡可能採用電腦數值分析替代物理試驗。
大尺度複雜模型的結構模擬離不開一流的平行解技術。平行求解技術具有絕佳的可擴展能力和可靠性，能夠大幅縮短分析時間。
透過高效的資料流來突破大數據傳輸的需求，支援多核心並行視覺化結果，即使對很龐大的模擬結果，也能獲得高品質渲染結果並實現快速查看。此外，能夠產生輕量級模擬結果，方便在平板電腦上快速查看。
總結
從樣件模型到起落架系統，再到複雜的機翼-機身連接，都需要進行結構模擬，驗證靜態與動態強度、損傷容限和耐久性適航要求。為滿足飛機創新設計和輕量化的要求，SIMULIA提供先進的模擬功能，如斷裂力學建模、全面的材料庫以及可擴展的真實結構模擬方法。在3DEXPERIENCE上整合SIMULIA技術，不僅能提升工程效率，節省開發時間，還能在設計早期引入模擬技術，增強通過適航認證的信心，減少高成本的物理試驗次數。
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