Embraer 如何使用仿真让飞机更快地升空

“嘿，让我们用人造闪电击毁一架飞机，看看会发生什么。”

虽然这听起来像是从未有人说过的那些陈述之一，但实际上恰恰相反。多年来，飞机制造商一直在让他们的飞机原型经受相当于一道闪电的电气瞬变，只是为了看看电气设备会发生什么。

理想情况下，什么都不会发生。这很好，因为飞机被真正的闪电击中的频率比您想象的要高。据估计，美国商业机队中的每架飞机每年都会被闪电击中不止一次。由于飞机设计精良，它的任何电子设备都不会受到穿过飞机数英里电缆的高能量脉冲的影响。不会因电缆连接点处的电流电弧而引发火灾。飞机上的任何人都不会因这一事件受伤、死亡，甚至休克。

然而，使用飞机原型来验证其在闪电附件中的生存能力成本高昂，而且即使所有测试都顺利进行，测试也可能需要数周才能完成。停在机库中，从头到尾都挂着电磁传感器，只要完成测试所需的时间，原型就会有效地冻结在原地。其他预定的测试只需等到闪电认证测试完成即可。如果认证测试显示出问题——关键的电子系统可能会损坏，或者闪电附着在机翼上可能会引发油箱爆炸——那么该公司可能会考虑进行产品修正和重新设计，这可能会非常昂贵，并且需要数周或数月的时间开发时间可能会丢失。

出于所有这些原因，巴西飞机制造商 Embraer 努力通过模拟尽可能多地进行闪电认证测试的间接影响。使用Ansys EMC Plus （前身为 Ansys EMA3D Cable），Embraer 的产品开发工程师可以在计算机上执行所有关键测试——以及额外的“假设”测试——验证飞机的闪电认证需要这些测试。通过这样做，该公司能够以更低的成本更快地将飞机推向市场。 

在平面存在之前测试平面

Embraer 是世界第三大商用喷气机制造商，在过去 50 年中生产了 8,000 多架飞机。巴西航空工业公司以其创新和扎实的工程设计而闻名，因此采用模拟技术也就不足为奇了。EMC Plus 为 Embraer 的工程师提供了专用的平台级电磁电缆建模仿真工具，专门用于分析雷电感应电磁 (EM) 效应以及电缆 EMI/EMC 问题，以支持 EMC 认证。

“我们使用 Ansys EMC Plus 来计算闪电连接期间电缆中的感应水平，”Embraer 的产品开发工程师 Rodrigo Freire 解释说。“为了获得交付新飞机的认证，我们需要证明在闪电连接期间出现在每个设备接口上的感应水平在可接受的范围内。”

如果模拟的最终目标听起来像物理测试的最终目标，那你是对的。这两种方法都需要证明闪电附件不会导致电子设备或飞机结构出现故障。不同之处在于，巴西航空工业公司的团队甚至不需要物理飞机就可以开始分析这些感应水平是否在可接受的范围内。

事实上，Embraer 发现如果在制造原型之前进行模拟，对整个开发过程会更好。这样，如果模拟发现问题，飞机的设计者可以在飞机建造之前解决这些问题，这样的修改就会变得更加复杂。

“在设计阶段的后期，移动电缆线束或使用不同的组件将非常困难，”Embraer 的另一位产品设计工程师 José Mariano 补充道。“那些不是我们当时愿意面对的情况。” 

测试大模型的挑战

模拟雷击及其影响的挑战在于，最终确实需要查看整个飞机结构，而这并不是所有模拟工具都能轻松或可靠地完成的。一道闪电可能会附着在飞机的末端，在几分之一秒内穿过两个附着点之间的所有电缆和导电材料。EMC Plus 使 Embraer 能够处理所需的最小和最大模型。它使工程师能够从 Zuken 和 Capital Harness 等工具中导入电缆和线束信息；它将这些数据与来自 Ansys Mechanical 的机身和印刷电路板 (PCB) 的 CAD 图纸相集成。

一些模拟仅需几个小时即可运行；其他人在几天内完成。事实上，因为它可以在相对较短的时间内进行更多的测试，所以巴西航空工业公司获得洞察力的速度比通常情况下唯一的选择是物理测试更快。 

在物理测试期间，飞机周围的结构会产生放电。测量通过关键部件线束的感应电流以评估雷击的影响。图片由巴西航空工业公司提供。

“我们可能只对一个或两个设计运行多次模拟，只是为了了解设计调整如何影响性能，”Mariano 指出。

如果 Embraer 完全依赖于部件对雷电响应的物理测试，则很难以相同的方式探索此类设计优化，因为构建、测试、重建和重新测试物理模型需要更多的时间和金钱。仿真使 Embraer 能够在设计周期的早期执行此类比较测试，从而使工程师能够比其他方式更有效地工作。

一些估计将使用仿真来支持完整的 EMC 和 EMI 认证归因于数百万美元的成本节省。 

物理验证模拟

物理测试在 Embraer 的闪电认证中仍然发挥着作用，但与过去的作用不同。今天，可以运行较小规模的物理测试作为参考点，可以将模拟结果与之进行比较。Embraer 已经能够显示其模拟结果与物理基线测试中捕获的结果之间的高度相关性，这激发了其他模拟结果与运行的物理测试结果相匹配的高度信心。

“在运行模拟时，我们必须做出一定数量的假设，”Freire 说，“但在进行物理测试时，我们也必须做出很多假设。测试结果并不总是与经历给定雷击的飞机所预期的确切条件相匹配，但随着时间的推移，我们已经对预期结果有了很好的了解。我们的模拟使用相同的标准化闪电特性——例如，振幅和上升时间——这对于分析和准确预测对电子设备的影响非常重要。

Freire 继续说道：“我们必须证明，飞机在大自然可能使飞机经受的极端电磁条件下仍能正常工作。” “只要模拟能够像物理测试一样捕获雷电瞬变，并且只要设备表明它可以承受这些水平，那么我们就会达到认证所需的标准。” 

最终，Embraer 使用仿真获得 EMI 和 EMC 认证可能证明了物理测试一直证明的同一件事，即其飞机安全且设计精良，货物和乘客安全，防雷装置赢得胜利' 在问题发生时——而不是如果——它们发生时引起问题。但 Embraer 对 EMC Plus 的使用还证明了另一件事：仿真可以显着减少将新的高质量飞机推向市场的时间和成本，这是一个让世界各地的飞机制造商坐下来关注的好处.