项目介绍
来自阿拉巴马州亨茨维尔QinetiQ的生命周期研究中心的服务和解决方案团队支持美国陆军航空和导弹研究、发展和工程中心(AMRDEC)，以及航空工程指挥部（AED）和结构与材料部（SMD）。QinetiQ结构工程师Michael Chandler描述到：AED是“美国联邦航空局（FAA）的军用版”，负责军用飞机的适航管理。QinetiQ的主要任务是对即将成为军用飞机新部件和系统的性能进行工程分析和检验。
挑战
目前一大部分军用飞机是基于传统平台设计的。这些飞机的规划经理们面临着如何将新的技术融入到这些旧平台的巨大挑战，使这些飞机满足当前不断扩展的任务需要。然而，这些新的设备和系统的加入通常会增加飞机的重量。为了在持续添加新技术组件的同时仍保持飞机的性能，飞机的一些部件就需要进行减重。
“从飞机上减掉的每一磅将转化成性能的提高”，Chandler说，“有OEM厂商曾经确定1磅的减重为他们平台节省的价值相当于1百万美元——这就是为什么减重是那么重要的原因。”
解决方案
QinetiQ的生命周期解决方案商业团队在对旧型飞机的新部件设计时采用优化技术解决重量问题。通过以前由SMD（仿真数据管理）的合作与部门主任Mark Smith和主管Dr.Robert Vaughn建立的合作关系，从而与AED部门合作进行设计优化成为可能。利用HyperWorks，QinetiQ工程师可以通过仿真来建议需要采用优化的部件，实现减重。“我们给政府客户展示哪些部件是可能实现减重的”，Chandler说，“然后规划经理决定是否将该理念用于最后的设计流程。”
QinetiQ的成功在军用Kiowa直升机的改进中得到了见证。Kiowa侦察直升机的机身结构是在60年代早期设计的，但该型直升机仍是军用航空机队的主要部分。“Kiowa直升机已经服役了几十年了”，Chandler说，“我们的任务就是通过减重，让它们看起来及用起来都跟新的一样，从而在执行任务时更高效。”
面临着严峻的减重问题，一个由武装侦察直升机项目管理办公室领导的集成产品团队（IPT），确定了降低整机重量的几十个减重方案并进行了优先级排队，其中Kiowa的舱门减重就属于高优先级。
该直升机有两个大的为后座乘客/航电设备使用的舱门及两个小的为机组成员使用的舱门。IPT考虑将舱门制造成复合材料作为一种潜在的减重措施，并向QinetiQ寻求他们的工程想法。
图1 一种可能的武器挂架
图2 Michael Chandler和OH-58舱门
QinetiQ结构团队采用Altair HyperWorks中的OptiStruct优化工具通过复合材料优化的创新方式实现舱门减重。
“首先，我们建立一个舱门模型并配置成实体铺层形式来初步了解OptiStruct能给我们带来什么”，QinetiQ的主任工程师Jeff Finckenor说，“然后我们决定采用泡沫芯层处理舱门的设计。”
采用OptiStruct，设计团队在舱门中心使用半英寸厚的泡沫，在外部边缘保留了实体铺层。4层复合材料用来覆盖舱门的两边。
团队进行了多次优化迭代并比较了各种各样的构型，如实体舱门vs泡沫/薄板三明治式；玻璃纤维vs碳纤维（最终选择）；蜂窝芯材vs结构泡沫（该泡沫较容易制造成形）。OptiStruct用来比较各种材料的效果，从而优化铺层的厚度和叠层次序。
图3 OptiStruct优化过程
结论
采用泡沫/铺层设计和OptiStruct优化，QinetiQ成功将乘客舱门重量从原来铝制舱门的9.26磅减至5.8磅。这样，两个乘客舱门、货舱门及机组成员舱门的总减重达到12.7磅。
“这些数字固然重要，但真正的意义是能带来操作性能的提升。”QinetiQ工程服务高级副总裁Neal Petree说，“重量的减轻表明飞机可以飞得更高、更远或可以装载更多的燃油或设备。这是真正意义上的节省，不仅仅是制造成本方面。重量的减轻可以让飞机增加新的技术组件来满足未来任务的需要。
除了OptiStruct，QinetiQ团队还使用HyperMesh和HyperView进行机舱门的优化。该团队还使用HyperWorks来优化通用导弹告警系统的分配器安装和复合通用武器挂架。现在QinetiQ结构团队还在考察其它几个项目，决定是否在接下来的一年完成进一步减重的可行性。
“HyperWorks是帮助我们以前所未有的方式支持军用航空制造的工具，”Finckenor说，“HyperWorks软件促使我们的军队更现代，飞行器更安全。”
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