鑒于預計的旅客流量未來將持續攀升，飛機行業迫切需要轉型，以避免二氧化碳(CO2)排放量激增，推進系統電氣化因此而成為重中之重。但是，其所需的超大功率密度勢必會產生諸多熱力學問題和電氣系統集成難題，因為不同物理場之間的相互作用會變得越來越多。要解決這些復雜難題，飛機總裝集成企業需要對其開發流程進行升級換代，從以往過于孤立、靜態、基于文檔的工程方法轉向動態、基于模型的工程方法。Simcenter 軟件和硬件產品組合提供一整套全面、可擴展、便于協同的工具，支持動態、基于模型的性能工程，可將從概念設計到認證的所有流程都集成到同一平臺上。這樣就可以在整個設計周期中實現一致、準確的行為驗證與確認。

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引言

化石燃料對環境的影響已經成為所有交通運輸業的熱議話題，同時也使電氣化成為重點關注領域之一。飛機電氣化設計需要各種創新技術和全新的開發流程。在本文中，我們列舉了當前具體面臨的種種挑戰，詳細闡述了基于模型的工程方法如何幫助飛機制造商及其供應商為性能工程部署全面的數字孿生。該方法通過對真實場景的仿真來進行相關行為驗證和確認，通過消除不同學科和應用之間的孤島效應來有效解決設計中的復雜難題，可以大幅縮短開發時間并降低風險。再結合部署數字主線，便可實現出色的項目執行。

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航空業現狀

航空業：全球化的基石
要準確預測一個時代可能出現什么樣值得銘記的重大變革，絕非易事。在過去50年間，全球化無疑是最重大的發展趨勢之一。如今，世界上人與人之間、與社會和企業之間的聯系日益緊密、關系日益和諧。這得益于諸多領域取得的巨大進步。例如，許多國家不僅國內局勢穩定，對外關系友好，教育水平和公共福利也有了顯著提升。我們看到，通信技術的革命性創新大多源于航空航天事業所取得的巨大成就，或者與之息息相關。當然，不可否認的是，全球化的最重要推動力量是人們日益增強的實現全球范圍內面對面交流的能力。而航空旅行正是人（和貨物）快速到達世界各地的重要方式。就在50年前，航空旅行還只是大型跨國企業和少數有錢人的專利。如今，飛機和航空企業扮演著人與企業之間聯系紐帶的關鍵角色。
與此同時，無論是商務旅行還是休閑旅行，航空旅客客流量均保持穩定增長的態勢。據空客公司《全球市場預測》1和波音公司《商業市場展望》2報告顯示，旅客客流量有望在2017-2032年翻一番。航空旅行已經成為過去50年全球化發展的基石，未來它將繼續扮演這一角色，發揮其應有的作用。

環境問題

但與此同時，也不乏批評的聲音。全球化以及由此延伸出來的工業化主要采用化石燃料作為驅動力，這為我們的地球帶來了巨大的環境壓力。在這一點上，人們已經達成科學共識：如果不立即采取有效行動，則將造成無法彌補和挽回的環境破壞。全球氣候變暖問題已經促使國際組織達成了多項有關人為二氧化碳排放的國際協議，以及各國針對所有交通運輸行業出臺的多項法律法規。所有交通運輸業加起來占全球溫室氣體總排放量的 15%3。盡管航空業占比相對較小（約占總排放量的2%、交通運輸行業排放量的12%）4，但也給人們留下了相當負面的印象。飛機行業已經意識到，他們亟需要采用新技術讓航空旅行變得更清潔和更可持續，以此來扭轉其糟糕的生態足跡和負面形象。在圖1中，國際航空運輸協會(IATA)描述了在預計客流增長速度保持不變的情況下，各領域二氧化碳排放量在2010-2050年間的變化趨勢。如果再不采取任何針對性措施，二氧化碳排放量就會直接翻一番。因此，飛機制造和推進系統制造企業一直在努力尋找種種解決方案。除了不斷減輕飛機重量外，還應在增強現有飛機發動機性能或者優化基礎設施和企業運營這兩個方面尋求進一步改進。但是，任何對現有技術的演化更新都無法幫助實現減排目標。因此，亟需采用高新科技來實現到2050年碳排放量減少50%的目標。除了大量采用生物燃料和氫燃料外，替代性機身構型、結構和材料技術（例如變形機翼技術、電動和混合電動推進系統）也具有一定開發潛力。圖1：二氧化碳排放量隨多項技術演進的變化趨勢。

5油耗與運營成本

值得一提的是，除了幫助解決這些環境問題外，提高能源效率、減少對化石燃料的依賴還可為航空業（特別是商用飛機）帶來更多其他效益。圖2 顯示了一架典型波音737-800型飛機的總擁有成本(TCO)。其中50%以上的成本與燃料直接相關。由于地緣政治紛爭等原因，化石燃料的價格會劇烈波動，這對于飛機運營商來說無疑是巨大的財務負擔，甚至是嚴重風險。在這一方面的任何改進都可能大量節省航空旅行運營成本。電氣化就是其中一種值得考慮的途徑。IATA指出，到2030年，混合動力技術可幫助小型飛機（15-20座）減少10-40%的化石燃料消耗，而到2045年，可幫助中型飛機（50-100座）減少多達40-80%的化石燃料消耗。而這僅僅是實現全面電氣化的中間一步。圖2：典型單通道商用飛機的總擁有成本。

6機場運營

除了油耗和碳排放外，噪聲和空氣質量也是航空業對當地環境總體影響的組成部分。例如，噪聲是許多地方政府出臺法規限制飛機夜間和凌晨飛行的重要原因。在擴建現有機場或規劃新機場時，噪聲通常也是要考慮的主要障礙因素。為了與機場附近居民和諧共處，實現可持續發展，航空企業必須認真考慮這一因素。在規劃實施不斷涌現的新興技術時，無論是否需要進行基礎設施更改，飛機制造商和機場運營商都必須通力合作，將環境噪聲降至可接受水平。此外，實現電氣化還可以帶來其他優勢。電力驅動在保持充足推進力的同時，還可以降低螺旋槳和風扇的轉速，進而還可以實現分布式推進的應用。這樣，航空工程師就可以對飛機結構進行試驗，將風扇屏蔽到機身結構中，避免噪聲直接傳播到環境中。

飛行安全

對于所有機組人員和乘機人員而言，安全至上。航空業電氣化水平的提升使復雜性進一步加深，讓故障分析和故障緩解變得困難重重。此外，需要通過大量工程協同和工程工作來分析新電氣系統相互間的聯系。這些系統通常執行基于先進邏輯和大量傳感器自動生成的控制函數。由此，有必要構建一個有助于在整個飛機生命周期中交換設計數據的流程。

自動化系統畢竟是人造的，難免會出現故障，還可能給飛機及其開發流程帶來全新的復雜性。具體而言，飛機的電氣化部署需要安裝大量新系統，其中通常會融合各式各樣的技術。毫無疑問，這會帶來巨大的整機集成難題，在全球化企業中與不同利益相關方攜手合作時更是如此。

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未來飛機的電氣化趨勢

我們目前正處于對傳統的“筒狀機身加機翼”噴氣構型進行演進式開發的階段，有望在2035年迎來一輪全新的突破性創新浪潮（前提是經濟條件持續向好）。如今，我們已經朝著飛機電氣化邁出了第一步，同時還引入了其他創新型結構技術和材料技術。但是，客觀地說，我們距離真正的行業轉型還有很長的路要走。盡管使用電機的推進系統應用前景廣闊，并將逐步進入市場，但迄今為止，其應用仍僅限于小型通用航空飛機。毫無疑問，目前的首要挑戰是電機過重而無法大規模應用于飛機上，另外儲電系統的功率密度仍遠低于傳統的航空煤油。我們將在后文中介紹更多具體的挑戰。不可否認，很多事情都在發生變化。眼下一個全新的細分市場“城市空中交通(UAM)”正在逐漸成型。電動推進裝置讓不少企業家構想出了能在擁擠區域上空飛行的新型飛機概念，而蓬勃發展的無人機業務則加速了UAM這一細分市場的發展。相信它們將很快發展成熟，并且實現載人飛行。他們進入市場勢必將促進某些供應商業務發展，并加快相關技術的成熟步伐。

技術工程挑戰——高功率電氣系統集成

飛機內部的中高功率電氣系統集成對該行業而言相對較新。事實上，波音 787等飛機已經實現了一定程度的電氣化。但這些應用也只是采用電力作動系統替代了傳統的液壓作動系統，或者采用電動泵而非噴氣發動機引氣系統為環境控制系統(ECS)供氣。當然，此類應用已經逐漸為遠程寬體客機機載電氣系統設立了1或2兆瓦的電功率標準。如今，實施電力推進勢必需要大幅度增加電功率。圖3顯示了不同類型的飛機起飛所需的電功率。一架結構相對簡單、可搭乘4-6人、具有垂直起降 (VTOL)功能的UAM所需的電功率與遠程寬體客機相同，而近程客機的電功率則要高出10-100倍。這其中包含很多含義。新技術和解決方案必須大幅提高適用于飛機的電壓和電流等級。例如，需要采用全新的線束。

功率密度

在飛機設計中，每一千克的重量都影響重大。當今工業電機的典型功率密度約為每公斤1千瓦(kW/kg)。這樣的功率密度明顯不夠。要成功應用電力推進裝置(EPU)，該值需要至少增加到每公斤10-15千瓦(kW/kg)。除電機外，這同理也適用于逆變器等子系統。減重是飛機設計的重中之重。好消息是，目前的電機和逆變器正在向輕量化發展。但是，要實現這一目標且不對其他設計方面（例如熱力學特性）影響太大，也將是個巨大的挑戰。在我們目前了解的工業電中，其電磁特性、電氣特性、結構特性和熱力學特性均輕度耦合。減重會導致這一切發生巨大變化。例如，減少結構雖可以減輕電機重量，但會影響其熱容量，使其在短時間內變熱。這進而會引起電磁系統熱變形，反過來會影響電機效率。或者，為防止永磁體消磁，需要對散熱提出更嚴格的要求。總之，功率密度越高，相關物理領域與工程領域之間的相互作用就越緊密。

熱管理

電氣系統需要采用與傳統電力系統完全不同的散熱方式。在當今的飛機中，不同系統之間的熱交換以準靜態方式進行，可采用最大熱負荷開發方法。在未來的飛機中，熱交換將更加復雜化和動態化，其數值可能要比現在高5-10倍。目前大多數的開發方式都會造成系統尺寸過大和飛機超重。因此，未來熱管理系統的設計需要更加智能化。其中應包括所有具有熱源或散熱作用的組件，例如推進系統、環境控制系統、電源裝置、燃料、甚至是機體構。這就需要采用系統級工程方法，擺脫當前孤立的方法，基于從開發伊始到飛機交付的全過程來定義相應的熱管理系統架構。

開發流程相關挑戰

我們已經知道，電氣化會加劇不同物理領域之間的相互作用，增加飛機開發的復雜性。如前所述，系統自動化、嵌入式軟件等新技術的應用也將進一步增加設計復雜性。如今，由于技術挑戰和企業原因，飛機項目很少按時交付和按預算交付。因此，為了確保開發、認證和生產等流程可負擔且可預測，就需要對現有的開發流程進行范式轉換。下面，我們簡述一下典型飛機開發流程中的某些薄弱環節會如何阻礙或延遲創新技術的應用。

孤立開發在性能工程中造成盲點

當前飛機開發存在的主要問題是，由于規模龐大和復雜性高，往往需要分拆整個項目，由世界各地的合作伙伴分別完成。這樣的工作劃分實際上是把飛機當成了由相互獨立的不同系統組成，可在后期簡單裝配而成。當然，各利益相關方之間也會經常溝通，但通常是基于互不相干的死板數字數據，即在整個企業共享的枯燥文件。電氣部門和ECS部門之間的冷卻預算就是個典型的例子，通常用單調地數字來加以說明。這種孤立的方法永遠無法捕捉不同系統之間動態的物理作用。因此，每個部門不得不采用安全設計余量，以彌補系統對接的不確定性，而這樣顯然增加了不必要的重量。最終，導致飛機的綜合性能不佳、集成測試和認證成本增加、操作界面復雜，嚴重的話還會影響正常飛行任務。下面，我們將通過兩個示例來說明這一點。

熱管理

最能說明這一問題的示例是如今普遍采用的熱驗證方式。各主要部門的熱力工程師顯然已經全力以赴，包括使用各種工具，例如有限元分析(FEA)和流體動力學仿真等。但在大多數情況下，只有飛行試驗才能揭示飛機的結構、系統或子系統是否運行正常。各部門之間通常利用PDF數據（見圖4）進行溝通，實際上排除了考慮不同系統對接時動態變化的相互作用。圖4：孤立的開發方法永遠無法捕捉不同系統之間動態的物理作用。動態的基于模型的工程方法有助于全面綜合地看待性能問題。這樣的盲點會為整個飛機開發項目帶來很大問題。比如，后期可能需要通過重新設計來解決相關問題，最壞的情況可能還需要創建新的鐵鳥試驗臺，即“熱力鐵鳥”。所有這些都可能導致重大項目中斷，產生巨大額外成本，嚴重影響項目順利執行。

電氣系統集成

第二個示例與電氣系統各方面設計有關，正如之前提到的，這需要更高的功率、電壓和電流。目前，電氣系統設計（機械）、電氣線束設計、性能分析以及電磁干擾/電磁兼容性(EMI/EMC)測試等電氣系統集成測試都是孤立進行的。項目經理通常將此視為重大風險。雖然知道工作的起點，但卻永遠無法預知工作的終點。事實上，EMI/EMC認證往往代價高昂且需要反復試驗。如果某個原本已經在原型樣機實施的設計不符合EMI/EMC標準，通常需要重新鋪設各分支系統的線束。這需要更改電氣系統設計，進而更改機械設計，然后才有望提升EMI/EMC性能。而這一切經常會陷入一個死循環當中（見圖5）。圖5：目前，電氣系統設計、電氣線束設計、性能分析和電氣系統集成測試都是孤立進行的。而這一切經常會陷入一個死循環當中。動態的基于模型的工程方法有助于全面綜合地看待性能問題。

基于模型的可靠性、可用性、可維護性和安全性

當前的手動的可靠性、可用性和可維護性(RAMS)方法是孤立的，使用這種方法無法跟上系統日益增長的復雜性和相依性（見圖6）。這便導致了因術語和方法存在差異而引起的設計不一致問題。此外，手動方法難以擴展，使對RAMS分析的整合成為一項艱巨的任務，讓維護報告成為一種負擔。例如，在這種傳統方法中，對飛機系統進行故障模式和影響分析(FMEA)的安全工程師必須召集專攻所開發系統不同方面（電氣、航空電子、軟件、硬件等）的工程師。運用制表啟動工作并多次召集同一批工程師來更新和維護FMEA表是項單調的任務，意味著資源分配效率低下，還會拖慢整個開發過程。基于模型的RAMS流程通過定義可為各利益相關方所理解的通用分類法，將系統模型置于分析的中心位置。這樣便可實現一致、一目了然和高效的故障分析。

基于模型的RAMS分析（風險數字孿生）讓工程師能夠在各學科和部門之間更好地進行協同，將RAMS分析自動化和數字化，并減少錯誤。該模型包含產品的功能和邏輯模型、對故障、故障原因和機制、故障操作條件進行描述的完整分類以及故障如何傳播的模型。基于該風險數字孿生，從設計早期階段便可進行廣泛的RAMS分析。

因此，不斷增加的飛機復雜性要求迅速過渡到基于模型的方法和自動化方法，即所謂的基于模型的風險數字孿生。

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全新的飛機工程方法

我們提到的這些技術難題和流程難題是當前飛機開發流程、甚至未來電氣化轉型流程所固有的。這些難題只能通過對各個方面普遍采用數字化的方式來解決。在技術方面，需要采用具有預測能力的方法以達到突破性的功率密度，對全新的飛機構型和架構進行試驗，還要具備成功解決所有熱問題的能力以及解決與新技術相關的安全性和可靠性難題。在流程方面，需要創建一個囊括所有相關學科和物理領域的平臺，同時持續跟蹤開發工作流程、工程決策和所采取的驗證措施。我們提到過全面的數字孿生和數字主線（見圖 7）。在本節中，我們將詳細介紹如何使用西門子的綜合性、集成式軟件、硬件和服務產品組合Siemens Xcelerator來幫助您部署必要的基礎架構和解決方案。

Siemens Digital Industries Software產品組合中的數字孿生和數字主線解決方案在顯著改善航空航天項目執行方面擁有久經驗證的業績記錄。作為極為注重創新的全球行業領導者，西門子致力于提供各種解決方案，幫助包括航空業在內的整個交通運輸業深化數字化轉型。通過大量投資研發 (R&D)、建立戰略合作伙伴關系和收購擁有數十年行業工程專業經驗的技術先驅公司，西門子已經成功實現了這一目標。Simcenter軟件和硬件解決方案組合中的一個重要組成部分，就是將仿真與各種性能工程測試工具及服務良好結合的綜合性平臺。通過使用 Simcenter，航空工程師可以模擬、深入了解并優化未來飛機所有組件的物理行為，包括結構開發、流體與傳熱、系統開發、熱管理、機艙舒適性、電磁與集成、驗證和認證測試等。Simcenter環境中集成了多種解決方案，可提供各種可擴展的建模方法，從組件級別到集成飛機級別，從低保真到高保真表示，應有盡有。因此，Simcenter可用于支持從概念設計、權衡研究、詳細設計到驗證階段的整個開發流程，涵蓋涉及的所有物理領域和學科，且完全支持數字孿生/數字主線范式。圖8顯示了Simcenter軟件的應用領域。在后續章節中，我們會重點介紹其對于未來飛機性能工程的重要意義。

圖8：Simcenter產品組合所支持的飛機性能工程領域。此外，使用Simcenter還能夠連接Siemens Xcelerator Share。借助這一以工程為中心并且尤為適合協同的云解決方案，各種規模的團隊都可以通過合適的訪問控制與包括設計師、經理、測試工程師、供應商以及客戶在內的關鍵利益相關方展開安全合作。這樣便打造了以項目為基礎的可擴展工作空間，支持更靈活地開發產品。項目成員可以隨時在任意設備上查看和批注設計、共享仿真模板并審核仿真結果。

采用基于模型的系統工程消除孤島效應

前面所列舉的熱管理和電氣系統集成示例已經證明，孤立開發方法會嚴重影響甚至威脅整個項目的成功。因此，我們必須盡早了解集成飛機的各種動態行為，特別是在電氣化和其他新技術帶來更多復雜性和多物理場的情況下。在當前的飛機開發流程中，往往到了飛行試驗階段才會發現集成方面的問題，此時可能為時已晚。為了控制未來飛機的開發成本，必須要改變這一點。從概念設計階段開始，就有必要對飛機有個整體認識。為此，所有以前的孤島都必須換用行為模型，并加強彼此間的協同，制定實施統一的標準，包括如何構建模型、如何表示模型及模型如何通過明確定義的接口與相鄰系統或其他學科進行交互。設計中還涉及了眾多子模型，包括大量的物理學和數學原理，因此如何選用正確的工具和方法進行集成式綜合就十分關鍵。為此，西門子的Simcenter提供了專用的虛擬集成飛機(VIA)和虛擬鐵鳥(VIB)策略。在后文中，我們將介紹這些解決方案的性質和范圍。

利用現成的航空模型

構建VIA本身就是一項巨大工程。毫無疑問，花在模型分析上的時間遠比花在對飛機各單個系統的物理模型進行編程上的時間更有價值。在建立仿真時，工程師經常會浪費大量時間重構機輪，而實際上，他們只需在現有的虛擬模型表示上做些微調即可。Simcenter本身就附帶許多典型飛機系統的模型庫，并且都已經過了主要飛機總裝集成企業、供應商和學術合作伙伴的驗證。對于電氣系統、氣動系統、液壓系統、飛行控制、起落架等組件，模型庫提供完備齊全的模型，可輕松應對全新的飛機構型需要，例如混合電力推進系統。借助這些模型庫，飛機設計工程師可將全部精力投入到產品設計中，而不是浪費在物理模型編程上。您可以更早更好地開展權衡研究，深入分析未來飛機到底需要什么樣的理想結構和系統架構。在大型項目中，這一點的重要性不可低估。更早、更好、更深入地了解集成飛機，您就會做出更有利的選擇，從而顯著降低項目風險、減少整個項目周期累積的返工。更重要的是，Simcenter是一個開放型平臺，可以無縫輸入其他行業標準工具的數據。因此，航空工程師可以輕松地將標準庫中的組件與他們現有的模型相結合，最大限度提高設計工作效率。

根據工程需要靈活縮放模型

VIA并非一個全包式模型，而是各種組件模型、數據和參數的集合，它們的表現方式各不相同，而且在整個開發周期中還會不斷發生變化。良好的 VIA平臺可以讓工程師以完全匹配項目需求的形式或規模選擇并組合各類子系統。Simcenter提供一系列兼容的解決方案，是VIA可擴展平臺的理想之選。

從粗略模型到詳細開發

在早期的架構權衡研究中，工程師往往無從得知詳細的設計參數，故而不得不使用粗略模型做出初始決策。到了開發后期，在掌握了更多物理場詳細信息時，您就可以通過深度仿真進一步完善這些決策。

圖9：所有以前的孤島都必須換用行為模型，并加強彼此間的協同，制定實施統一的標準，包括如何構建模型、如何表示模型及模型如何通過明確定義的接口與相鄰系統或其他學科進行交互。為此，西門子的Simcenter提供了專用的虛擬集成飛機和虛擬鐵鳥策略。在此期間，應用程序也在模型選擇上發揮著一定的作用。在運行計算時，模型中的詳細信息量不能過大，也不能過小，以保證精確度足夠、粒度正確，與建模意圖保持一致。當然，這方面的要求視具體的應用程序而定。因此，選擇合適的工具就十分關鍵，既要能夠根據項目需要輕松調整信息詳細程度，同時又要確保始終使用相同的基本模型。Simcenter在這方面具有極大的靈活性。

從組件級別到集成飛機級別

各種仿真功能和庫本身既是飛機各系統及其組件建模必不可少的組成部分，同時也是集成飛機的重要部分。這可能需要這些組件和參數采用各不相同的表現形式或抽象級別。例如，了解飛機制動伺服閥的詳細物理行為非常重要。但同樣重要的是，我們可能需要選取該模型并將其向上一級集成到制動系統中，然后再向上一級集成到起落架中。理解系統對其子系統或組件的潛在故障的反應也非常重要。基于此，RAMS功能可幫助用戶在早期設計階段發現故障。我們的最終目的是了解伺服閥如何在整機級別成功中斷飛機起飛。在Simcenter中，工程師可以查找各種嵌入式應用程序知識以及行業專業知識，幫助他們為每種應用程序選擇合適的模型表示。

從早期概念設計到成果驗證階段

仿真的范圍并不局限于飛機的開發。實踐證明，如果能夠將數據連續性一直延續到驗證階段之前，則通過仿真還可以幫助降低相關認證成本。這一點既適用于結構認證和系統認證，也適用于控制策略和軟件驗證方案的認證，例如模型在環(MiL)、軟件在環(SiL)、硬件在環(HiL)和飛行員在環測試。因此，通常需要對物理模型（無論是詳細模型或是粗略模型）進行調整以適應測試需要。通常，需要調整模型以使其實時運行，從而確保模型在整個V循環中的連續性。

圖10：基于模型的風險數字孿生包含嵌入一系列建模方面相互關聯的系統信息，可支持設計RAMS流程。Simcenter是兼具仿真和測試功能的平臺，提供許多讓工程師在驗證階段有效使用模型的技術和方法。顯然，這些模型的配置需要與待認證的設計思想保持完全一致。為此，Simcenter還提供了一套驗證流程，包括多種在托管環境中加快數據集對比速度的方法，通過保持驗證管理數字主線來確保可跟蹤性。風險數字孿生是從整機到組件級別的系統1D表示。在該模型中，我們可以從初始狀態開始傳播系統中的故障并跟蹤風險的后果，因此在早期開發階段便可充分了解風險。Simcenter基于模型的RAMS功能可創建風險數字孿生。用戶可以重點創建一個健全的系統模型并提供準確的操作條件。在基于標準的模板文檔中，可以自動完成并輕松導出RAMS分析（如FMEA)、故障樹分析和可靠性方塊圖。這有助于縮短開發時間，加快整體設計和驗證過程。

深度覆蓋各種應用程序

如前所述，在未來飛機開發中，功率密度、熱管理和安全性等方面的技術挑戰不容小覷。即便是成功的創新合作伙伴也無法精通所有學科。恰恰相反，您應將重點放在消除孤島效應和提供全面解決方案上，確保為每個學科提供先進的解決方案。為此，西門子投資了多家技術公司，整合了一系列應用程序必需的預處理和后處理功能以及功能強大的高性能求解器，并將它們全部內置于 Simcenter平臺中。

充分利用仿真模型

建立精確的仿真模型是一項巨大工程。因此，建立完模型后，就要充分發揮它們的全部潛力。但在大多數情況下，這些模型僅用于完善和驗證特定的預選設計項目，而不是用于促進決策。現在，借助先進技術，工程師可以采用完全參數化的方式進行產品定義，將基于仿真的性能分析輕松應用于設計工作，從而進行全面的設計探索。在流程中不斷添加全新的創成式設計選項，例如拓撲優化、架構方法、集成系統選擇，就可以在概念設計、規模預設和詳細設計等方面帶來極大便利。Simcenter囊括了用于設計探索的各種工具，提供了一個融仿真方法和通用設計功能為一體的平臺，可幫助航空工程師建立有效的高性能設計流程。

充分發揮仿真與測試的協同作用

最后，實現電氣化以及引入包括軟件和電子系統在內的創新技術將大幅增加參數數量，從而大幅增加飛機設計進行優化和認證的復雜性。盡管這些工作可能需要進行更多仿真，但同時也會持續增加測試部門的工作量。這聽起來可能有點矛盾，尤其是在采用數字孿生和數字主線等先進技術的情況下，但其實一點也不矛盾。恰恰相反，測試工作是全面數字孿生系統的重要組成部分，貫穿整個產品設計和認證期間。仿真與測試流程的緊密集成對于作為預測方法的全面數字孿生的成功十分關鍵。

在早期開發階段，數字孿生的價值在很大程度上取決于可實現的建模逼真程度。因此，在此期間，真實測量數據是確認建模精度的關鍵。逼真的仿真需要對各個組件、材料、邊界條件等進行連續測試，這遠遠超出了用于標準結構相關性分析和模型更新所進行的精確數據測量的范圍。測試工作可讓航空工程師進一步探索未知的設計領域，并深入了解有關新材料以及機電一體化組件隨附的其他參數，這通常又要涉及多個物理場，并且需要采用創新測試方法。在開發周期結束時，尤其是在認證過程中，情況會有所不同，因為測試工作通常成了工作重心。與此同時，各種壓力也會與日俱增。原型樣機和測試用基礎設施成本高昂，后期發現的缺陷會直接影響飛機的上市進程。隨著飛機復雜性日益增加，包括交付后的更新，再加上各種產品變型、參數、工作點等，這一領域的工作份額預計會進一步加大。在此階段，仿真可以為傳統的測試流程提供很大助力。實際上，虛擬測試在認證過程中的作用日益突出。但是在獲頒適航證方面仍然存在不少限制，管理部門會始終要求飛機總裝集成企業提供相關證明，證實其仿真中的建模假設正確無誤。因此，西門子堅信，應加強研究如何將物理測試和虛擬測試良好結合，以及如何通過兩者的協同作用實現更經濟、效果更好的驗證和認證流程。例如，仿真有助于定義理想的測試配置。通常，采用模擬元素可以簡化物理測試臺并補充物理測試的不足部分。這樣可以減少測試設置成本，降低測試風險。這僅是其中一個例子。

從這個意義上講，Simcenter提供了別具特色的環境，因為它是目前市場上難得的直接集物理測試與系統仿真、3D計算機輔助工程(CAE)和3D計算流體力學(CFD)于一體的產品組合。

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結語

作為Siemens Xcelerator的一部分，Simcenter解決方案組合提供一整套全面、可擴展、便于協同的工具，支持動態、基于模型的性能工程，可將從概念設計到認證的所有飛機開發流程集成到同一個平臺上，且具有完全可追溯性。從開發周期的初始階段，Simcenter支持用戶為整機創建全面的數字孿生或VIA，從而避免孤立的開發工作。所有模型均可隨意擴展，且可隨著數據不斷增多或根據特定仿真需求進一步完善。在后期階段，當開發工作進入到詳細的性能工程和需求驗證階段時，Simcenter會為所有涉及的學科提供先進的、特定于應用的解決方案。這些可以與其他高性能測試解決方案結合使用，進行模型驗證或提高模型的逼真程度。最終，Simcenter仿真模型可以作為飛機認證甚至后續虛擬測試和輔助物理測試的基礎。由于所有這些解決方案均集成在同一個與設計相連的平臺中，因此可以使用Simcenter創建跨越整個開發周期的數字主線。這樣有助于進行更深入的設計探索，并提供諸如拓撲優化、創成式設計等方法，用于體系架構和集成系統的選擇。至此，Simcenter即可將以驗證為中心的傳統開發過程轉變成為以預測為中心的全面數字孿生開發過程。借助Simcenter，工程師可以充分發揮仿真的作用。想要了解更多Simcenter產品信息，歡迎聯系貝思科爾！