沈波 任金虎 許鴻杰 鄭永乾

將基于模型的系統(tǒng)工程的方法應用于飛機前起落架的初步設計階段，在需求分析階段引進了IBM的DOORS軟件進行需求管理及分析;在架構(gòu)設計上采用Rhapsody進行功能與邏輯分析;采用Modelica語言進行多學科建模與分析以及系統(tǒng)架構(gòu)的驗證;引進達索系統(tǒng)工程工具3DE，打通MBSE各工具之間的數(shù)據(jù)關系，驗證從需求、功能、邏輯到物理設計的過程，實現(xiàn)需求的有效閉環(huán);通過多專業(yè)協(xié)同聯(lián)合仿真，對前起落架收放和著陸等典型場景進行靜力及動力響應等分析。

一、引言

飛機系統(tǒng)設計是一個多學科、多專業(yè)的協(xié)同設計過程，這一過程具有以下三個特點。

（1）飛機系統(tǒng)設計是一個從粗到細的過程，隨著用戶需求的提高，飛機系統(tǒng)設計全過程的工作量和費用消耗呈指數(shù)增長，未經(jīng)充分的前期設計而過早進入工程設計階段，將會帶來巨大的成本和時間風險，而且也無法保證設計的快速收斂。

（2）飛機系統(tǒng)設計是一個從耦合到解耦的過程，在工程設計階段工作量最大，只有在工程設計階段充分解決了各學科、各系統(tǒng)之間的沖突和矛盾實現(xiàn)并行工程，才能減少工程設計階段的交叉和耦合，從而有利于工程設計的并行開展。

（3）飛機系統(tǒng)設計過程是一個需要進行大量設計循環(huán)和迭代的過程。

針對飛機系統(tǒng)設計中的特點，在現(xiàn)有分散的設計手段基礎上，形成一套高度集成、高度靈活和多層次的總體分系統(tǒng)多學科協(xié)同設計和仿真驗證模式，成為當前飛機系統(tǒng)研制面臨的重要課題。綜合分析，采用基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE： Model Based System Engineering）的方法來進行飛機系統(tǒng)設計能很好的解決這個難題。

基于模型的系統(tǒng)工程是指“對系統(tǒng)工程活動中建模方法的正式化、規(guī)范化應用，以使建模方法支持系統(tǒng)要求，設計、分析、驗證和確認等活動，這些活動從概念設計階段開始，持續(xù)貫穿到設計開發(fā)以及后來的所有生命周期”。自從2007年，國際系統(tǒng)工程學會（INCOSE）在《系統(tǒng)工程2020年愿景》中，正式對MBSE進行定義以來，MBSE在航空工業(yè)得到了快速發(fā)展，各單位進行了一系列研究。

航空工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司丁健等人研究了基于模型的系統(tǒng)工程在地面站研制中的應用;航空工業(yè)西安航空計算技術研究所的白潔等人研究了基于模型的系統(tǒng)工程在機載電子系統(tǒng)領域的應用;航空工業(yè)第一飛機設計研究院的葛立敏等人進行了基于模型的系統(tǒng)工程在航電系統(tǒng)設計中的應用研究;航空工業(yè)第一飛機設計研究院的葛立敏等人研究了基于模型的系統(tǒng)工程設計方法在TCAS中的應用;航空工業(yè)洪都的羅松等人研究了基于模型的系統(tǒng)工程應用于飛機概念設計探討。

本文以飛機起落架為對象，進行了基于模型的系統(tǒng)工程分析與應用研究。打通MBSE各工具之間的數(shù)據(jù)關系，驗證從需求、功能、邏輯到物理設計的過程，實現(xiàn)需求的有效閉環(huán)以及多專業(yè)協(xié)同聯(lián)合仿真，為基于模型的系統(tǒng)工程建設提供支持。

二、MBSE的總體架構(gòu)

為了實現(xiàn)DOORS、Rhapsody、Modelica語言建模工具與Dassault系統(tǒng)工程工具的數(shù)據(jù)貫通，搭建如圖1所示的基于RFLP框架的MBSE系統(tǒng)工程設計環(huán)境。

Dassault系統(tǒng)工程方法論基于RFLP模型的系統(tǒng)工程框架將需求（Requirement）、功能（Function）、邏輯架構(gòu)（Logical）和物理產(chǎn)品（Physical）結(jié)合起來，使其組成一個統(tǒng)一的、不能孤立的集合體，實現(xiàn)了系統(tǒng)工程核心要素的完整表述，符合系統(tǒng)工程方法論。該框架實現(xiàn)參數(shù)、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、設計與仿真模型在業(yè)務過程中的傳遞，做到基于統(tǒng)一平臺的業(yè)務流程協(xié)同。

三、MBSE的應用及驗證

1.前起落架初步設計階段的流程分析

本文選取前起落架為研究對象，其初步設計階段流程如圖2所示。

2.DOORS中的需求導入達索RFLP框架

使用IBM需求管理軟件DOORS對前起落架系統(tǒng)需求進行管理，工作界面如圖3所示，主要體現(xiàn)為對需求文檔進行結(jié)構(gòu)化展示、實現(xiàn)需求條目的版本管理、基線管理、需求的權(quán)限管理等工作。

采用達索REQTIFY軟件將DOORS中管理的前起落架系統(tǒng)需求條目捕獲，同時導入到達索的需求管理模塊中，導人流程如圖4所示。

在性能要求、設計約束等需求條目下添加參數(shù)，用以對指標和約束進行描述，如圖5所示。同時這些參數(shù)可以向下面的功能分析、架構(gòu)定義與仿真驗證等過程中進行傳遞。

3.Rhapsody中模型導入達索RFLP框架

利用Rhapsody基于SysML模型對前起落架系統(tǒng)需求進行分析、設計，在分析過程中，形成用例圖、活動圖、BDD圖以及IBD圖等一系列設計結(jié)果。通過RFLP框架與Rhapsody模型的融合，實現(xiàn)活動圖、IBD圖與RFLP框架的集成，活動圖導入到RFLP的功能節(jié)點，IBD圖導入到RFLP的邏輯節(jié)點。

4.基于系統(tǒng)工程驅(qū)動的物理設計

依據(jù)總體設計規(guī)范中規(guī)定的前起落架位置、重量指標、輪心位置、是否帶外掛、強度與載荷等要求開展前起落架結(jié)構(gòu)設計。

以輪心距離為例介紹需求導向的設計過程，整個設計過程如圖7所示。

5.系統(tǒng)工程驅(qū)動的優(yōu)化設計

達索RFLP框架采用多學科優(yōu)化設計（MDO）方法，如圖8所示，將前起落架設計規(guī)范、標準與經(jīng)驗，以知識的形式融入到多學科的分析和優(yōu)化模型的建立過程中，自動生成各學科分析模型，將各學科的分析模型和優(yōu)化模型集成起來，實現(xiàn)各學科之間數(shù)據(jù)自動傳遞，按照定義的約束條件，驅(qū)動設計及仿真模型，自動修改設計參數(shù)，最終獲得優(yōu)化方案。

以前起落架收放性能需求為優(yōu)化設計目標，對前起落架的作動筒外筒內(nèi)徑和活塞直徑進行優(yōu)化設計驗證。具體優(yōu)化過程如圖9所示。

為了確保飛機起飛著陸安全且不致增加飛機收放機構(gòu)的重量，必須合理地優(yōu)化前起落架收放時間。前起落架收放時間主要由開鎖時間和收放作動筒作動時間組成，因開鎖時間較短，故主要通過優(yōu)化收放作動筒作動時間，使前起落架收放時間更加合理化。

影響收放作動筒作動時間主要因素是收放作動筒所承受的載荷，該載荷存在于前起落架收起或放下運動的全過程，因此在設計優(yōu)化時要考慮前起落架收放運動的全過程。

在前起落架收放過程中，收放作動筒主要承受的載荷包括：收放前起落架時繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量力;處在氣流中的前起落架結(jié)構(gòu)的迎面阻力;前護板聯(lián)動的質(zhì)量力和氣動力;前起落架機構(gòu)鉸鏈中的摩擦力;前起落架上鎖力。

這些載荷可通過與所有其它載荷對前起落架旋轉(zhuǎn)力矩的靜力平衡條件及氣動計算模型求得。主要的計算原始數(shù)據(jù)包括：飛機最大的起飛重量;飛機著陸設計重量;機翼面積;展弦比;前起落架收放時的速壓;前起落架支柱重量;收放前起落架時的最大飛行速度等。

6.前起落架多專業(yè)協(xié)同仿真

采用Modelica語言建模的方法建立由機械、液壓、控制等組成的前起落架的Modelica模型，把該Modelica模型轉(zhuǎn)換為標準的FMU模型，在完整RFLP定義基礎上對收放系統(tǒng)和著陸系統(tǒng)FMU模型進行仿真，對前起落架總體性能進行仿真驗證，如圖10所示。

四、結(jié)果分析及驗證

1.前起落架仿真結(jié)果分析

采用達索RFLP框架提供的聯(lián)合仿真及多學科耦合分析技術，對前起落架進行多體動力學、靜力及動力響應等分析，為飛機收放和著陸過程等典型場景進行驗證。采用該平臺隱式求解器模塊，求解前起落架系統(tǒng)級的非線性結(jié)構(gòu)靜力學問題;采用平臺的顯式求解器模塊求解前起落架系統(tǒng)的瞬態(tài)動力沖擊仿真。

（1）前起落架多體動力學分析。在平臺中，將前起落架三維模型自動轉(zhuǎn)換為一維的Modelica模型，將各部件轉(zhuǎn)換為Modelica的多體模塊，系統(tǒng)自動提取部件的質(zhì)量、質(zhì)心和轉(zhuǎn)動慣量等信息;將三維模型中的運動副轉(zhuǎn)換為Modelica的平動和轉(zhuǎn)動，根據(jù)系統(tǒng)的實際情況判斷，向運動副上施加力或扭矩。通過多體動力學聯(lián)合仿真，完成對前起落架運動協(xié)調(diào)性分析，計算前起落架連接部位的反作用力，為剛?cè)狁詈陷敵隽私佑|載荷，得到前起落架的多體仿真示意圖，如圖11所示。

（2）前起落架靜力分析?，F(xiàn)階段對前起落架進行的靜力學分析，主要采用剛體分析提取部件間的作用力，再通過施加邊界條件的方法，將部件間作用力作靜載施加在部件上，分析過程繁瑣。在達索3DE平臺中，采用統(tǒng)一的模型進行機構(gòu)結(jié)構(gòu)耦合分析，不需要導入導出部件間的作用力，能快速實現(xiàn)基于系統(tǒng)工程的多體與靜力學聯(lián)合、剛?cè)狁詈戏治?，如圖12所示。

（3）前起落架模態(tài)分析及線性響應分析。采用高級隱式非線性有限元軟件的求解器，驗證工作中模態(tài)和瞬態(tài)響應分析，并求解前起落架結(jié)構(gòu)的諧響應分析、頻譜分析、隨機振動分析與屈曲/失穩(wěn)分析等，前起落架的模態(tài)分析及線性動力學響應情況，如圖13所示。

（4）前起落架非線性沖擊分析。

采用先進的非線性算法，通過達索RFLP框架，從需求出發(fā)，緊密聯(lián)系系統(tǒng)工程方法、利用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型進行前起落架的運動學、靜力學、沖擊響應等分析，處理前起落架收放和著陸過程中各種復雜的非線性問題，得到前起落架著陸過程中的非線性響應圖，如圖14所示。

2.需求的閉環(huán)驗證

在平臺中，需求工程師基于需求設計視圖展開工作并將設計要求傳遞給下游專業(yè)，而設計工程師基于設計視圖從上游專業(yè)獲得的設計輸入進行設計，并將設計結(jié)果傳遞給仿真工程師，由仿真工程師與結(jié)構(gòu)工程師進行協(xié)同工作，由此形成需求的閉環(huán)。需求閉環(huán)驗證示意圖，如圖l5所示。

（1）性能仿真過程的影響性分析。采用達索3DE平臺的數(shù)據(jù)譜系追蹤功能，以數(shù)據(jù)譜系圖形的方式記錄前起落架分析業(yè)務數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)關系。前起落架性能仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)挖掘流程如圖16所示。

當前起落架計算活動對應的輸入?yún)?shù)（如參數(shù)化的需求）、參考文檔及模型（接口模型等模型文件）的狀態(tài)發(fā)生變更時，可以自動分析影響關系，并通過影像圖的形式來提示后續(xù)受到影響的設計活動，如圖17所示。

（2）仿真結(jié)果分析與決策支持。利用平臺對性能仿真結(jié)果分析、數(shù)據(jù)挖掘等功能，迅速有效地從眾多分析中找到前起落架最符合設計要求的，性能最好的方案。性能仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)挖掘流程，如圖18所示。

利用平臺瀏覽數(shù)據(jù)、對比數(shù)據(jù)，從大量數(shù)據(jù)中進行挖掘、篩選，為前起落架系統(tǒng)提供多種有效的數(shù)據(jù)挖掘方法。結(jié)果分析與決策支持，如圖19所示。

（3）仿真結(jié)果對需求的閉環(huán)驗證?；谇捌鹇浼芤痪S仿真與三維仿真的協(xié)同仿真（多體動力學、靜力學及動力學仿真等）結(jié)果，在平臺中完成仿真結(jié)果與前起落架設計需求的對比和驗證，實現(xiàn)需求閉環(huán)驗證，其過程如圖20所示。

五、結(jié)語

本文采用基于模型的系統(tǒng)工程的方法，對飛機前起落架的初級設計階段進行分析、應用研究，實現(xiàn)了DOORS、Rhapsody、Modelica語言建模工具與Dassault系統(tǒng)工程工具的數(shù)據(jù)貫通。從飛機的起飛、著陸等應用場景出發(fā)，在多專業(yè)協(xié)同仿真的基礎上，對前起落架性能進行仿真分析;研究了前起落架強度、剛度與沖擊等性能，實現(xiàn)了對需求閉環(huán)的有效驗證。為基于模型的系統(tǒng)工程的方法在飛機系統(tǒng)設計過程中提供了一種新的應用實施手段，同時為基于模型的系統(tǒng)工程建設提供支持。