基于模型的系統工程在前起落架設計中的應用研究

沈波 任金虎 許鴻杰 鄭永乾

將基于模型的系統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架構的驗證;引進達索系統工程工具3DE，打通MBSE各工具之間的數據關系，驗證從需求、功能、邏輯到物理設計的過程，實現需求的有效閉環;通過多專業協同聯合仿真，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

飛機系統設計是一個多學科、多專業的協同設計過程，這一過程具有以下三個特點。

（1）飛機系統設計是一個從粗到細的過程，隨著用戶需求的提高，飛機系統設計全過程的工作量和費用消耗呈指數增長，未經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、各系統之間的沖突和矛盾實現并行工程，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）飛機系統設計過程是一個需要進行大量設計循環和迭代的過程。

針對飛機系統設計中的特點，在現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多學科協同設計和仿真驗證模式，成為當前飛機系統研制面臨的重要課題。綜合分析，采用基于模型的系統工程（MBSE： Model Based System Engineering）的方法來進行飛機系統設計能很好的解決這個難題。

基于模型的系統工程是指“對系統工程活動中建模方法的正式化、規范化應用，以使建模方法支持系統要求，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，持續貫穿到設計開發以及后來的所有生命周期”。自從2007年，國際系統工程學會（INCOSE）在《系統工程2020年愿景》中，正式對MBSE進行定義以來，MBSE在航空工業得到了快速發展，各單位進行了一系列研究。

航空工業成都飛機工業（集團）有限責任公司丁健等人研究了基于模型的系統工程在地面站研制中的應用;航空工業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工程在機載電子系統領域的應用;航空工業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工程在航電系統設計中的應用研究;航空工業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工程設計方法在TCAS中的應用;航空工業洪都的羅松等人研究了基于模型的系統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工程分析與應用研究。打通MBSE各工具之間的數據關系，驗證從需求、功能、邏輯到物理設計的過程，實現需求的有效閉環以及多專業協同聯合仿真，為基于模型的系統工程建設提供支持。

二、MBSE的總體架構

為了實現DOORS、Rhapsody、Modelica語言建模工具與Dassault系統工程工具的數據貫通，搭建如圖1所示的基于RFLP框架的MBSE系統工程設計環境。

Dassault系統工程方法論基于RFLP模型的系統工程框架將需求（Requirement）、功能（Function）、邏輯架構（Logical）和物理產品（Physical）結合起來，使其組成一個統一的、不能孤立的集合體，實現了系統工程核心要素的完整表述，符合系統工程方法論。該框架實現參數、結構化數據、設計與仿真模型在業務過程中的傳遞，做到基于統一平臺的業務流程協同。

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對前起落架系統需求進行管理，工作界面如圖3所示，主要體現為對需求文檔進行結構化展示、實現需求條目的版本管理、基線管理、需求的權限管理等工作。

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，用以對指標和約束進行描述，如圖5所示。同時這些參數可以向下面的功能分析、架構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圖等一系列設計結果。通過RFLP框架與Rhapsody模型的融合，實現活動圖、IBD圖與RFLP框架的集成，活動圖導入到RFLP的功能節點，IBD圖導入到RFLP的邏輯節點。

4.基于系統工程驅動的物理設計

依據總體設計規范中規定的前起落架位置、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構設計。

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.系統工程驅動的優化設計

達索RFLP框架采用多學科優化設計（MDO）方法，如圖8所示，將前起落架設計規范、標準與經驗，以知識的形式融入到多學科的分析和優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化模型集成起來，實現各學科之間數據自動傳遞，按照定義的約束條件，驅動設計及仿真模型，自動修改設計參數，最終獲得優化方案。

以前起落架收放性能需求為優化設計目標，對前起落架的作動筒外筒內徑和活塞直徑進行優化設計驗證。具體優化過程如圖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的重量，必須合理地優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軸轉動部分的質量力;處在氣流中的前起落架結構的迎面阻力;前護板聯動的質量力和氣動力;前起落架機構鉸鏈中的摩擦力;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。主要的計算原始數據包括：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.前起落架多專業協同仿真

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模型轉換為標準的FMU模型，在完整RFLP定義基礎上對收放系統和著陸系統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、結果分析及驗證

1.前起落架仿真結果分析

采用達索RFLP框架提供的聯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，求解前起落架系統級的非線性結構靜力學問題;采用平臺的顯式求解器模塊求解前起落架系統的瞬態動力沖擊仿真。

（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換為一維的Modelica模型，將各部件轉換為Modelica的多體模塊，系統自動提取部件的質量、質心和轉動慣量等信息;將三維模型中的運動副轉換為Modelica的平動和轉動，根據系統的實際情況判斷，向運動副上施加力或扭矩。通過多體動力學聯合仿真，完成對前起落架運動協調性分析，計算前起落架連接部位的反作用力，為剛柔耦合輸出了接觸載荷，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。現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，采用統一的模型進行機構結構耦合分析，不需要導入導出部件間的作用力，能快速實現基于系統工程的多體與靜力學聯合、剛柔耦合分析，如圖12所示。

（3）前起落架模態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，驗證工作中模態和瞬態響應分析，并求解前起落架結構的諧響應分析、頻譜分析、隨機振動分析與屈曲/失穩分析等，前起落架的模態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，緊密聯系系統工程方法、利用統一的數據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，而設計工程師基于設計視圖從上游專業獲得的設計輸入進行設計，并將設計結果傳遞給仿真工程師，由仿真工程師與結構工程師進行協同工作，由此形成需求的閉環。需求閉環驗證示意圖，如圖l5所示。

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

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

（2）仿真結果分析與決策支持。利用平臺對性能仿真結果分析、數據挖掘等功能，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。性能仿真結果的數據挖掘流程，如圖18所示。

利用平臺瀏覽數據、對比數據，從大量數據中進行挖掘、篩選，為前起落架系統提供多種有效的數據挖掘方法。結果分析與決策支持，如圖19所示。

（3）仿真結果對需求的閉環驗證。基于前起落架一維仿真與三維仿真的協同仿真（多體動力學、靜力學及動力學仿真等）結果，在平臺中完成仿真結果與前起落架設計需求的對比和驗證，實現需求閉環驗證，其過程如圖20所示。

五、結語

本文采用基于模型的系統工程的方法，對飛機前起落架的初級設計階段進行分析、應用研究，實現了DOORS、Rhapsody、Modelica語言建模工具與Dassault系統工程工具的數據貫通。從飛機的起飛、著陸等應用場景出發，在多專業協同仿真的基礎上，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，實現了對需求閉環的有效驗證。為基于模型的系統工程的方法在飛機系統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工程建設提供支持。