虚拟铁鸟的建模和仿真解决方案及案例

飞机是一个庞大而复杂系统，其研制是一个系统工程，涉及机械、电气、自动控制、液压、气动等多学科领域。需求的发展对飞机的研发提出了更高的要求，在研制中实现性能、成本和研发周期三方面的最佳统一，是航空业所面临的巨大挑战。传统的设计-试验的研发模式，耗时耗力，已经不能满足飞机研发的要求。建立包括需求管理、架构设计、功能样机建模与优化、数字样机设计、性能样机验证、数字化装配与工艺设计、交互式设计成果展示的数字化综合仿真平台，已经成为国际上主流航空航天等厂家研发飞机的主流趋势。而该平台中的核心环节之一就是建立虚拟铁鸟，以实现飞机系统设计方案的功能指标确认、控制策略验证、子系统基本参数设计优化以及可靠性评估。

虚拟铁鸟建模和仿真的解决方案

虚拟铁鸟的建立主要用于飞机系统设计方案的功能指标确认、控制策略验证和子系统基本参数的设计优化，进一步用于可靠性评估。本质上，虚拟铁鸟就是飞机系统级设计方案的数学展现。因此虚拟铁鸟的建立主要采用系统级设计工具进行。

一方面，由于飞机系统涉及到机械、电气、控制、液压、传热、气动等多个学科领域，建立虚拟铁鸟的工具最好也是能够直接针对多学科建模的工具，如果一个工具不足以实现则需要各工具之间能够方便地交换数据，从而保证各学科的模型能够同步进行仿真以预测整个飞机系统的功能等。从国际先进企业的应用经验看，基于开源的Modelica语言的一维多学科建模仿真工具Dymola是空客、波音等公司建立机电液多学科模型的共同选择，而控制系统的建模则都采用了Matlab/Simulink，二者之间通过直接耦合进行系统的功能分析。

另一方面，由于飞机系统涉及到航空发动机、环控、液压、飞控、电气等多个专业领域，一个团队难以完成各专业模型的建立，因此势必需要由不同专业的团队分别建立各专业的模型，然后通过各专业模型之间的耦合仿真实现对整个飞机系统功能的预测。为了限制模型参数在必要的范围内传播同时尊重各专业团队的劳动，各专业的模型需要进行一定加密处理。一种思路是将各专业的模型都导出为基于FMI/FMU的黑盒模型，将所有的模型在同一个支持FMI/FMU模型的平台（如Dymola或Simulink）上运行，即可以实现整个飞机系统的功能仿真。另一种思路是将各专业的功能模型直接运行在各团队自己的电脑上，通过一个分布式联合仿真工具TISC从各专业模型中仅提取可以共享的变量各专业模型之间的数据交互，从而实现整个飞机系统的功能仿真。第一种思路适合于模型参数变化不大的方案的联合仿真，第二种思路则具有广泛的适用性。

因此，虚拟铁鸟的建模和仿真可以基于Dymola和Simulink由各专业团队建立各分系统的多学科模型，然后基于FMI/FMU或者分布式联合仿真平台TISC实现系统级功能验证。基于Dymola和Simulink的虚拟铁鸟模型可以直接下载到实时仿真机中进行针对控制策略的半实物仿真测试；同时也可以通过故障诊断工具将其转换为故障树模型用于系统可靠性评估。

国内外典型案例

• 空客起落架机电液建模仿真

早在2001年，德国航天局DLR部门就基于多学科建模仿真工具Dymola为空客搭建了飞机起落架机械、液压、电气、控制等模型库，借此建立包括飞机转向系统、电气系统、控制及监控系统、机轮及机身系统等虚拟铁鸟，实现Dymola、Simulink、Abaqus机电液控等多学科联合仿真，以验证整机设计方案的功能，并为刹车结构的疲劳性能分析提供系统参数。

空客虚拟铁鸟

飞机刹车制动机电液联合仿真

• 空客多电飞机全新架构设计

空客从2004年开始在欧盟资助基础上启动了MOET（多电飞机电气架构设计）项目。其中德国宇航局DLR基于Modelica语言定制了多电飞机电气架构的虚拟模型，用于模拟动态的整机功率需求、整机重量、系统可靠性等，从而验证多电飞机电气架构的性能。

空客多电飞机电气系统建模和系统仿真

• 空客Crescendo项目协同设计仿真平台

自2008年起，空客在欧盟的资助下开展了全企业协同设计及仿真项目，整合空客、空客的核心供应商、欧洲高校、欧美主流软件厂商等一起实施Crescendo项目。通过此项目，实现主机厂和供应商协同设计及仿真，从而为空客新型大飞机架构设计构建全新的开发流程和开发平台。

整合仿真分析专家、项目专员及系统架构工程师形成协同开发流程示意图。机电液多种专业仿真工具自动化仿真流程的仿真管理平台基于SLM整合而成，项目管理、产品研发流程的产品研发管理平台基于PLM平台形成，全新的系统架构设计和3D设计