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数字解密:模拟能使高超声速旅行具有商业可行性吗?

Hypersonic travel is associated with speeds more than five times 声速 within Earth’s atmosp在这里. 今天,工程师们已经实现了空中旅行 7次 声速. 高超音速飞行的潜力——飞行速度超过5马赫, 哪个大于3,000英里/小时-可以使航空旅行比以往任何时候都更快、更有效. 设计成以高超音速飞行(或在某些情况下重新进入大气层)的飞行器必须能承受气动和惯性, 热, 高速运动产生的声音载荷. You can see the difference between the designs of commercial aircraft and hypersonic vehicles 在这里 -注意更圆滑,更紧凑,更刚性的框架. But while hypersonic travel is typically seen in government and military applications, many people want to see hypersonic travel become commercially viable for everyday travelers.

由于高超声速飞行对飞行器结构的极端要求, 选择坚强, flexible materials and minimizing structure weight is vital to keep vehicles capable and safe. 例如, 如果你看到火箭重新进入地球大气层, 你可能会看到一个巨大的火球在汽车的前部形成——这种现象的发生是因为在这种极端的速度下产生的热量和由于摩擦而损失的大量能量.

在这种条件下飞行时,飞行器面临两大挑战. The first challenge is designing a propulsion system capable of reaching hypersonic speed. 第二是设计飞行器的外壳,使其在高超音速飞行时能够承受周围恶劣的环境.

高超声速飞行器的外部结构也面临湍流边界层的激励,湍流边界层会因其较高的马赫数速度而引起显著的振动. The outer structure is part of the vehicle’s 热 protection system; yet at the same time, 它必须具有刚性的结构完整性,以支持气动和惯性载荷. 因此, 工程师和设计师选择耐热性是至关重要的, 坚固的材料确保这些车辆的成功. 没有正确的材料和坚实的设计, 载重舱:载有有效载荷的车辆的内部舱, 电子, 乘客将会遭受灼热的折磨, 不热.

为了理解高超声速飞行器的设计要求,365体育投注的团队应用了 APA的伴侣 将MES公司的技术应用于一般高超声速飞行器模型. MES的工作决定了壳体外层结构和热毯的材料类型和尺寸,以最小化重量, 保持结构应力和振动水平低于规定的限度, 并为内部结构提供足够的热保护. 这种类型的并行设计研究是必要的,当配置飞机结构将适合高超声速旅行,并需要以尽可能低的重量飞向天空. 365体育投注的团队想知道的是, Could hypersonic vehicle technology be suitable for widespread commercial airline adoption one day?

陶瓷基复合材料(CMC)的建模

开始模拟一个真实的高超音速飞行器, 365体育投注的团队使用了密歇根工程服务公司(MES)的能量有限元分析(EFEA)的多层方法对飞机外壳进行建模, which we created using a standard CMC configuration encountered in hypersonic technology.

下一个, 365体育投注使用了一个高超声速飞行器的典型有限元模型来演示EFEA如何计算壳体的振动以及电子设备和有效载荷将安装的位置. 365体育投注使用的建模步骤如下:

  1. Create an interior payload structure with stiffeners and bulkheads and attach it to the exterior aeroshell
  2. 利用文献中关于高超声速流动的半经验湍流边界层(TBL)模型来定义壳体上的激励
  3. 进行EFEA分析以确定壳体振动
本文所使用的高超声速飞行器的EFEA模型

We then used the MES Decision 支持 Toolkit (DST) product to determine which materials to use, 飞机外壳要多厚, 还有保温毯,保证最小质量. 结构和热分析的EFEA代码和仿真工具连接到DST以确定振动, 结构, and 热 performances for every combination of material selection and thicknesses that can be considered.

利用MES决策支持工具包(DST)进行优化分析

进行设计研究

To begin the analysis, we selected materials and sizing for the aeroshell and 热 blankets. 然后365体育投注应用热, 压力, 由声载荷引起的振动, 以及最小厚度限制以便365体育投注在分析过程中观察到它们.

Design variables are the parameters that are adjusted to meet performance expectations for 热 protection, 最大的压力, 和最大振动水平,以达到优化的重量. 在这个例子中, 不同类型的CMC和热毯的材料选择及其厚度构成了设计变量. 365体育投注把这辆车分成八个部分:四个上部和四个下部.

由于实际施工的考虑, 飞机外壳的八个部分必须有相同的厚度. 此外,365体育投注必须为飞机外壳选择单一的材料. 然后365体育投注用非结构性材料做了隔热毯, 隔热材料,并将它们放置在车辆内部结构外的内部结构和壳体之间的空间中. 这种安排允许灵活选择不同的材料和厚度的热毯放置在八个部分中的每一个. A total of 19 design variables could be adjusted to minimize the total weight subject to the performance expectations.

声学载荷的研究

下图是公开的AFRL-RB-WP-TR-2010-3068报告中高超声速飞机的典型位置, 由于分离流和冲击,V1具有高声载荷. 车辆中部和侧面的部分(用红色箭头标识)是365体育投注遇到分离流和/或冲击波的部分. These locations faced a much higher acoustic load compared to the rest of the locations, 哪个经历附面层流动. 声载荷是EFEA计算的驱动激励.

高超声速飞机高声载荷的典型位置
高超声速飞机高声载荷的典型位置
EFEA车辆模型的声载荷与边界层流动

上图是EFEA模型. The areas in blue are loaded with a lower acoustic load associated with an attached boundary layer flow. 用橙色, the areas are loaded with a higher acoustic load from separated boundary layer flow and shock.

在高超声速飞行器的EFEA模型上施加了典型的声载荷, 如下图所示. 365体育投注考虑的最大加速度是35克2/Hz为车辆可接受的上限. We determined the overall sound pressure level (OSPL) of the loading based on parameters such as the Mach number, 高度, 和动态压力. As we can see, the excitation had significant components in the frequency range of 800Hz – 10,000Hz. 在如此高的频率下, conventional finite element methods would require hundreds of thousands of elements to perform an analysis, 这需要几个小时的运行时间.

在设计分析的时候, 需要考虑和分析数千种不同的配置, it would be nearly impossible to perform the design optimization computations using conventional finite elements. The EFEA model runs much faster and performs the analysis for the entire frequency range within just a few minutes. EFEA的计算效率使在高度迭代的设计过程中进行振动分析变得更快、更容易.

声学载荷作用于EFEA模型

确定热/应力约束和选择材料

An advanced carbon-carbon (ACC) and a reinforced carbon-carbon (RCC) type of CMC were considered for the exterior part of the vehicle; the RCC has a lower density compared to the ACC. 每种材料都有不同的最高温度限制, 以及压缩时的最大应力极限, 张力, 和箍应力. 一种先进的隔热毡材料, 氧化铝增强热障(AETB), 和毛毡可重复使用的表面绝缘(FRSI)被认为是放置在外壳和内部结构之间的保温材料的替代品. Each alternative material exhibited different density and maximum temperature limits.

在优化研究过程中, 365体育投注评估了每种配置的结构和热性能. We conducted a 结构 analysis by considering the aerodynamic and inertia loads exerted on the outer structure. We determined the 结构 integrity based on how high the 压力es were and if buckling occurred. 结构的尺寸越薄, 越难满足强度要求. 因此, the team ran into a trade-off between the outer shell’s weight and its 结构 performance.

接下来,365体育投注进行了热分析. 外壳与保温材料及之间的气隙组成热保护系统(TPS)。. 热分析评估TPS每一层的温度历史,以及内部结构外层的温度. All such temperature time histories were monitored and compared to the maximum allowed temperature limits. 材料的选择和层的尺寸都是为了尽量减少总重量,而不超过每层允许的最高温度.

优化配置的最大振动结果

Then, we monitored the vibrations occurring at eight sections of the outer shell of the vehicle. 在一般情况下, 搜索最优配置时, vibration becomes a design driver; in other words, 一旦达到最大振动, 材料的厚度以及相应的质量在不超过振动极限的情况下不能再减小. 在这个例子中, we encountered the maximum vibration level was encountered on the top (leeward) side of the vehicle. 下图给出了优化配置的振动结果.

车辆优化配置的振动结果
车辆优化配置的振动结果

优化结果

车辆模型的附加角度用于优化

下面的表, 在右边, 从材料选择方面对优化结果进行总结, 每一层的相关厚度, 得到的质量. 左边的表格包含优化结果汇总, but without considering any constraints on the vibration levels experienced by the vehicle. 在后一种配置中, 由于在外壳的顶部允许的更低的厚度,可以实现更高的质量减少. 不过, 在优化研究中不使用EFEA分析计算振动水平,并将其限制在最大值35g2/Hz, the resulting configuration experiences a much higher vibration compared to the limit.

下面的第二幅图通过比较考虑振动约束时在最优配置中遇到的最大加速度来展示这种情况, 与最优配置相对时 只有 考虑了热约束和结构约束,但不考虑振动约束. 因此, it is important to account for the vibrational performance of this vehicle during the design, 以及结构和热性能预期, otherwise poor performance can be discovered too late after an optimal design has already been chosen. 在这一点上, a redesign effort is costly and will introduce delays in the overall development schedule.

车辆的优化结果
最优配置比较

结论

所以,在365体育投注的有生之年,365体育投注会看到商业航空公司采用这项技术吗? 这很难说,但也不是遥不可及. 这项技术曾经被认为是不可能的, 然而,365体育投注每天都能看到技术上的突破. 尽管高超音速飞行的燃料和机票成本无疑会高于普通商业航空旅行的成本, it’ll be interesting to see if and how companies implement these types of flights alongside their traditional offerings. 拥有MES公司的EFEA等技术, engineers and scientists can simulate and optimize complex aerospace designs fast and accurately. 无论是在商业层面还是政府层面, solution-specific workflows streamline decision-making and find optimal aeroshell designs within a single platform.

What we do know for sure is that the EFEA solver offered key results for this aircraft’s design and optimization. The outer shell of a hypersonic vehicle needs to exhibit sufficient strength to withstand aerodynamic and inertia loads. 除了, 它需要满足热要求,因为它是TPS的一部分,保护汽车内部结构免受严重负载. 由于EFEA技术提供的快速运行时间, 研究振动性能, 声加载, 在高迭代设计过程中的热性能和结构性能比使用传统方法更容易.

当振动需求成为设计驱动因素时,这是关键, 对于高超音速飞行器来说, 当安全和最小的振动是至关重要的. 在设计过程的早期实施模拟驱动设计方法,可以帮助设计师避免在关键车辆位置太晚发现过多振动带来的不便, 当由于预算问题而难以做出改变时, 严重的重做, 时间延迟, 和成本超支.

关于EFEA,密歇根工程服务公司(MES)

与MES”(www.miengsrv.com)能量有限元分析(EFEA)求解器, users can perform vibration analysis of complex systems faster than ever using finite elements. 如下所示, the EFEA solver can address the vibrational behavior of an aeroshell alongside its aerodynamic, 从, 热, 以及在设计初期选择材料和尺寸时的应力计算, 而不是在设计过程后期才发现振动行为错误, 当它们更难纠正且成本更高的时候.

The solver technology has been validated in multiple industries with successful applications in Naval vehicles, 汽车, 和飞机. 它的技术使用户可以执行中高频分析,而不需要多个设计元素,并可以通过 365体育伙伴联盟(APA).

欲了解更多信息,请访问 http://www.library.androidsourcehelp.com/efea/.