HyperX软件在X-59超音速鼻锥设计中的关键作用

X-59 是一种实验性喷气式飞机，由洛克希德·马丁臭鼬工厂（美国加利福尼亚州帕姆代尔）设计和制造，美国宇航局用于进行研究，作为其 Quesst（安静超音速技术）任务的一部分，以减少超音速飞机的音爆。斯威夫特工程公司（美国加利福尼亚州圣克莱门特）承包建造飞机 38 英尺长的鼻锥，旨在控制超音速飞行期间尖端形成的空气动力压力波（冲击波）。但首先，斯威夫特需要与臭鼬工厂合作进行初步设计——采用蜂窝芯和碳纤维增强环氧树脂表皮的夹层结构——并完成鼻锥的结构尺寸、分析和测试验证。

为此，它使用了 Collier Aerospace（美国弗吉尼亚州纽波特纽斯）的 HyperX 软件，该软件能够将鼻锥的重量减少 25% 以上。它还使 Swift Engineering 能够评估各种荷载工况的设计，使用允许数据执行详细的失效分析，并优化可制造性。“我们满足紧迫的项目期限的唯一方法是自动化应力分析，”Swift Engineering 的技术顾问 Bill Giannetti 说。“我知道 HyperX 软件可以做到这一点，并且还会生成报告，表明我们需要对这种结构进行飞行认证。”事实上，Giannetti 的团队不仅能够满足减重要求，而且还能够在预算范围内提前交付鼻锥。

减少吊杆和重量

当本文于 2025 年初夏起草时，X-59 正在进行地面测试，为首飞做准备。它的任务是在多次飞行期间收集数据，以帮助为商业超音速飞行建立可接受的噪音标准——像 Boom Technology（美国科罗拉多州 Centennial）的 XB-1 这样的飞机已经进入生产阶段。由于 X-59 的细长鼻锥，预计将显着降低超音速飞行的噪音影响。

Swift Engineering 在与臭鼬工厂的一次会议上开始了在 9 个月内设计鼻锥并在 6 个月内建造的合同。“我在 Swift Engineering 工作了大约 8 年，当时是结构组的技术研究员，”Giannetti 说。“在他们的项目经理审查了目标后，他强调，我们可以从机头上移除每磅质量，他们就可以从 X-59 尾部移除 3 磅，以优化重心。我厚颜无耻地说，我们不仅可以按时完成结构设计优化，而且我们可以从他们 100 磅的原始设计中拉出 400 磅。然而，他们必须向整个工程团队赠送带有臭鼬工厂标志的 Polo 衫。他同意了。

“我们的时间表非常荒谬，”他继续说道。“但我知道我们可以使用 HyperSizer 来做到这一点，这是当时 Collier 套件中一款产品的名称。我们会采用他们的有限元[FE]模型，并将我们特定的机头配置放在上面。然后，我们将运行所有荷载工况并挖掘关键荷载工况的数据，细化我们的模型，然后运行 HyperFEA，它获取您的最终分析结果并将其输入到 HyperSizer 中以重建模型卡。然后，我们将重新运行有限元分析并继续这样做，直到我们在最小质量下达到所需的安全裕度。我知道该软件还将生成所需的最终认证级别报告。这是我们赶上最后期限的唯一方法。然而，将质量从结构中拉出则完全是另一回事。

尺寸，达到质量目标的 60%

Swift Engineering 团队的第一个问题是，最初提出的 32 英尺长的配置在他们收到的 CAD 文件中实际上是 38 英尺。“我们从容应对，开始了我们的工作流程，”Giannetti 说。“我们将使用带有单个隔板的实心层压板的原始设计转换为具有多个隔板的最小规格蜂窝结构。通过这种方法，我们认为我们可以将质量从结构中拉出，同时仍然满足严格的波纹度和变形要求。结构需要非常坚硬。

“然后，我们设置了模型，用单个平面的壳单元来表示面板和核心，并获得了 270 个关键荷载工况。我们构建了有限元分析并运行了荷载工况。我们提取了所有的压力，然后我们将其设置在 HyperSizer 中并开发了我们的面板尺寸，这是集成 HyperSizer 的关键步骤之一。我们装载了所有的材料卡和所有的舱壁，并为其提供了一系列层压板可供选择。然后我们按下了解决按钮，仅通过我们的第一次，我们就能够完成大约 60% 的 100 磅减重目标。

材料，最终减重 30 磅

由于时间紧迫，Giannetti 的团队选择了一种具有一组完全定义的材料允许的材料。“我们需要选择一种已经合格的材料，因为我们没有时间测试任何东西，”他解释道。该材料是东丽复合材料美国公司（美国华盛顿州塔科马市）的 2510 预浸料，采用 T700S 标准模量碳纤维，采用增韧、250°F 固化环氧树脂，并带有公共 AGATE 数据库，东丽指出，该预浸料专为航空航天初级结构的高压灭菌器外 （OOA） 加工而配制。

Giannetti 说，然后该团队执行了一系列尺寸优化步骤，“但我们没有实现 100 磅的减重。因此，我们使用了 HyperSizer 中的一个功能，该功能通常有助于确定机翼中的最佳肋骨数量。它基本上从给定的间距开始，然后迭代，直到你想出一个质量优化的结构。对于您试图实现的一组载荷、材料和结构特性以及安全裕度，将有一个最佳配置。我们用它来定义舱壁的数量、大小和位置，这将使我们能够拥有质量优化的结构。我们基本上采用了一个机翼概念并将其应用到机头上。这为我们节省了另外 10% 的大量成本。但我们还有 30 磅的重量要走。

Giannetti 和他的团队讨论了他们的选择。“我们使用三层-芯-三层的对称夹层，具有 1/8 英寸直径的单元，用于每立方英尺 3 磅的 Nomex 蜂窝芯，”他说。“看着那个结构，我认为我们可以消除最里面的层，这样可以拉出大约 30 磅。因此，我们采用了三层外皮、芯材和内皮两层的结构。我们达到了目标，我们的球员得到了 Polo 衫。

失效标准、验证测试

Giannetti 指出，Swift Engineering 也在创纪录的时间内完成了交付，“我们提交了公司认为使用 HyperSizer 的分类定义报告。每个螺栓（我们粘合并用螺栓固定舱壁）都有轴承余量，所使用的特性包括屈曲的高温和低于环境温度。我们使用热/湿开孔压缩 [OHC] 特性作为定义失效标准。这些是最保守的特性，这使我们能够满足疲劳要求，因为我们使用最大 OHC 应变作为尺寸应变。然后，我们将主要应变与该值进行了比较，这给了我们安全裕度。它有点保守，但它涵盖了我们的疲劳、随机振动以及所有这些次要的长期影响和要求。

然后，Swift Engineering 建造了一个重达 300 磅、38 英尺长的全尺寸结构，并完成了测试以验证设计。“他们进行了垂直变形测试，基本上是上下左右推动它，看看他们是否能听到任何形式的应力消除或开裂声，”Giannetti 说，“在使用声发射的此类测试中，您通常会听到这些声音。它很安静，击中了所有目标。我们的数字是正确的，我们对此感到非常兴奋。

检查所有荷载工况、失效分析

Collier Aerospace 由 Craig Collier 创立。他解释说，HyperSizer 是在 30 年前首次开发的，现在已被 HyperX 取代。“它具有不同的外观和感觉，并且更强大，”他说。“从计算的角度来看，它是多线程和多处理的。HyperX 保持了所有相同的功能，但是一个全新的代码库和真正的下一代软件，而不仅仅是升级。

“我在 1980 年代参与了 B2 轰炸机的工作，”他说。“尽管我们对自己的计算充满信心，但就是没有时间检查每一个可能的荷载工况。我们必须过滤到我们认为不同区域的关键荷载工况。从这些中，我们又不一定能进行所有的故障分析，因为我们没有时间。所以，我们做了我们认为最有控制力的事情。在高力航空，我们多年来的愿景是使用高性能计算实现极快的计算能力，这样我们就可以处理车辆上的所有外部负载，而不必假设哪些负载是关键的。对于其中的每一个，我们都会处理所有故障分析。但我们也包括可追溯性，您可以随时向下钻取并检查每个中间计算，以验证输入数据是否是您批准的。

他指出，HyperX 还使公司能够自定义他们想要的认证分析方式。“他们将允许值方法与失效分析方法相结合，”Collier 说。“HyperX 可供一大群人使用，确保每个人都能始终如一地使用它，这是整个分析方法认证的一部分。您还可以在所有故障分析中使用一致的数据允许值，从而提供交互式可追溯性。

更新负载收敛设计

Collier 解释说，HyperX 与 FEA 代码无关。“我们可以使用 Nastran 和 Abaqus 等领先的有限元分析程序从模型中提取结果，然后同时执行故障分析，探索不同的层压板选项或芯密度或芯深度，以减少可能发生的任何潜在故障。”

“但是，您还必须使用 FEA 求解器进行迭代，以便在更改结构时收敛负载路径，”他指出。“我们的软件使用层压板中材料系统刚度矩阵的正确术语来更新有限元模型，如果您想通过分析进行认证，这也是您必须具备的能力的一部分。您不仅必须有良好的失败标准，而且必须能够以适当的方式与最终模型进行交互。

詹内蒂强调了这一点的重要性。“您需要包括使用新设计更新有限元的过程，并使用有限元求解器进行迭代以获得负载路径收敛，”他解释道。“当您对模型进行更改或更改结构时，结构中的荷载分布会发生变化。您上一个最佳设计现在可能没有足够厚的层压板，而在其他地方则不够薄。因此，您进行这些更改并将其放回 FEM 中以获得新的负载路径。但你必须以正确的方式做到这一点，而 HyperX 非常擅长更新有限元，以便在下一次迭代中获得正确的有限元分析内部载荷路径，然后让你获得正确的安全裕度计算。

将周期压缩到认证

Giannetti 举了一个例子，说明该软件包如何将工程周期压缩到认证。“我所在的一个由 60 名工程师组成的团队，他们花了 1 年多的时间才进行与这个鼻锥类似类型的分析，但却是直升机飞行结构。我们需要使用不同的方法，使用有限元分析来生成载荷，然后在另一台软件中使用这些载荷来基本上手动计算所有应力和裕度。我们最终分析了 900 多个组件，如果我们使用与鼻锥类似的方法，我们可能会在一半的时间内用 10% 的人完成这项工作。

“最后，在该过程的最后是压力报告，我们能够在其中显示每一个故障分析安全边际以及车辆中每个位置的所有输入和输出。仍然需要进行全面的测试，但能够有一个更好的流程来确保没有遗漏任何东西，调查和评估所有可能出错的事情——你不能通过物理测试来做到这一点。

Giannetti 指出，HyperX 有一个新的图形用户界面 （GUI），具有更有序的结构树。“过去的 FEA 一切都是命令并写入块中，”他指出。“新的 GUI 使用图标来实现功能，使您可以快速向下钻取而不是大量命令，这为用户提供了更多功能。它更合乎逻辑、使用起来更快，从而实现了更加优化的工作流程。他补充说，Collier 的软件为他节省了无数时间，不仅在自动化分析方面，而且在认证的最终报告方面。“工程师不应该写报告。他们应该能够点击报告按钮。这就是 HyperX 提供的。