你所不知道的 飞机虚拟实验
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实习记者 于紫月
近日，ARJ21-700飞机114架机在南通完成了最后一架次交付试飞任务，通过中国民航局认证，顺利交付成都航空，成为中国商飞公司向成都航空交付的第9架ARJ21-700飞机。
这些年，一架又一架国产飞机飞出“巢穴”，飞向蓝天。随着选择乘坐飞机出行的人越来越多，我们不禁想问，我们乘坐的飞机是否安全？飞机的强度是否足够？对于飞机结构的强度又是如何考量的？科技日报记者带着这些疑问，近日采访了中国飞机强度研究所计算结构技术与仿真中心副总师聂小华。
结构强度实验保障安全飞行
“不论是小到几公斤的无人机，还是大到载客上千人的大型客机，不论是军用战斗机还是民用运输机，每一架飞机在上天之前都会有专门的研究团队对其进行严苛的强度实验。”聂小华告诉记者，结构强度是指结构承受载荷和耐受环境的能力，飞机结构强度实验是飞机研制中的必要环节。
进行飞机强度实验却不是件容易的事情。一架大型飞机进行强度实验时，其机翼上承受的最大载荷高达几百吨，翼尖变形可达好几米，在地面进行强度实验时，需要通过几百个加载通道将载荷施加到飞机上以模拟空中受载状态，同时要布置数以千计的传感器测量飞机的承载状态。“但这项实验是确保飞行安全所必须完成的。”聂小华说。
据悉，在飞机的设计和制造过程中，为了保证结构强度达到要求，需要依靠大量积木式乃至全机实验来完成强度设计的验证与评估工作，整个过程不仅需要耗费巨大的财力物力，稍有不慎还会在实验中出现非预期的结构损伤和破坏，其风险大、周期长、成本高。
近年来，人们一直在汲汲探寻解决之策。随着计算机技术的发展，科研人员开始探索将真实实验环境以及实验体的物理性能转变为一个个数字和公式，“投喂”给计算机，建立起数字模型，模拟真实实验的过程。自此，虚拟实验技术应运而生。
虚拟实验护航全生命周期
“虚拟实验技术是一项集大数据、计算力学与强度理论、实验数字化、虚拟现实等于一体的综合技术，利用现代数字建模、虚拟仿真、增强现实及数据挖掘等计算机数字化手段，在数字空间完成强度研究、设计、验证，在虚拟环境中进行飞机结构强度的评估与验证。”聂小华表示，虚拟实验可以指导和辅助物理实验，提高物理实验的成功率，同时还可以优化和减少物理实验工况，逐步替代部分物理实验，达到降低实验风险、缩短实验周期、节省实验成本的目的。
记者了解到，目前一些大型国外飞机公司已经开始采用虚拟实验技术，在实验前对实验体进行充分分析和预判，在实验过程中进行实验与分析的一致性评估，有效把控实验周期和风险。
“本世纪初，国内一些高校和研究所开始进行相关技术攻关与积累，目前在某些领域已经拥有了一定的技术优势。”聂小华举例，中国飞机强度研究所创建的大型飞机静强度虚拟实验系统可利用虚拟仿真技术快速精确模拟实验件的承载状态，提前预估实验件的危险部位及其破坏模式，并经过物理实验数据与虚拟实验数据的一致性评估，可达到翼尖变形误差小于3%，应力误差小于5%，破坏载荷误差小于10%，已成功应用于ARJ21-700、C919、AG600等飞机全机静力实验中，大大提高了实验精度，缩短实验周期近30%。
虚拟实验手段的应用在飞机研制过程中形成了虚实互动融合、双线并行的实验新模式，也对研究人员提出了新挑战。“对实验环境的数字化描述和结构力学特性的精确模拟，仍是虚拟实验面临的两大难题。”聂小华指出。
