飛機綜合設計和飛行測試軟件(J2 Universal Toolki

 

 

    飛機綜合設計和飛行測試軟件可以應用于從飛機設計建模到飛行測試數據處理所有環節。對飛行測試數據的前期處理,包括前期數據校準、修正,到模型設計、修改、驗證,以及氣動參數識別和校準。軟件同時具有很強的管理分級制,網絡共享合作模式,可擴充性和自適應性。內嵌函數可以自動計算模型以及參數,并加以驗證,同時可以生成曲線圖或者視景3D模型來直觀演示飛機特性。

 

    軟件用的是回歸分析為主,Linear、SVD、MRQ、最大似然法, , 等算法為輔的模型建立,校準,以及參數識別的方式。從獲取的飛行數據開始,此軟件可以先做重建,對飛行數據進行計算和驗證,檢驗是否有獲取的測試數據存在錯誤或過大誤差,當驗證完成后,此軟件可以進行重新預測和回歸兩種方式的校準模型,優化,和修正氣動參數來達到完善模型的目的。

 

    軟件在做完模型和參數修正以后,可以立即運行QTG(Qualification Test Guide),來驗證建立的模型是否和真機模型匹配。從生成的參數曲線和測試獲取的曲線相對比,驗證模型和各參數是否還需要調整。 針對模擬器制造,此軟件能夠起到一個虛擬實驗室的作用,一旦拿到試飛數據,從數據處理,到模型建立,驗證和校準修正,再到規范測試標準(生成QTG),和最終模擬器成型并認證。

 

    如果需要,這個軟件還可以直接用到模擬器上,作為氣動模型使用 (含義是此軟件可以直接作為模擬器的運行平臺,而不需要在單獨開發別的軟件),而且此軟件還支持用戶自定義模型輸入(可以把用戶自己的模型直接整合到軟件中),還支持功能擴充,如果用戶有自己其他的分析工具,也可以和此軟件直接對接。

 

    該軟件還具有視景生成功能,用此功能可以將飛行測試動作生動可視的還原出來。在新的飛行測試前期,還可以用來模擬飛行動作并和實測效果對比。如過模擬動作和實際試飛動作存在偏差,可以通過軟件的幫助查找原因。

 

軟件框架的主要特點:

Ø  以數據為中心的架構

能夠確保所有用戶都在同一數據集工作飛機綜合設計和飛行測試軟件(J2 Universal Toolki(圖1)

使數據模型與分析能夠在整個公司內共享

消除通信錯誤,縮短學習過程

改善運行過程,減少運行時間

Ø  配置管理

提供所有設計變更的可追溯性

確保最新的設計已經過評估

Ø  集成式構架

為飛機的生命周期提供統一的環境

Ø  插件程序管理

提供“混合匹配”功能以適應團隊的規模及需求    

能夠創建用戶自定義的插件程序進行深入分析。 

 

 

軟件各個模塊介紹:

 飛機綜合設計和飛行測試軟件(J2 Universal Toolki(圖2)

建模模塊

    建模模塊能夠使公差和很多其他的變量能在同一數據模型中得到應用并進行深入分析。

    這種獨特且便于使用的界面能夠讓用戶快速高效的建立從簡單到高度復雜的各種飛機數據模型。

 

 

主要特征及優勢:

 

Ø  友好數據錄入和存儲結構飛機綜合設計和飛行測試軟件(J2 Universal Toolki(圖3)

能夠使用戶以最快速度建立簡單或復雜的模型

Ø  集成已有的工具

本模塊擁有高級的導入/導出功能

支持將現有的模型集成到本模塊進行深入分析,

如根據模型參數進行預測與回歸統計

Ø  用戶自定義結構

能夠根據用戶的設計和數據生成飛機模型

Ø  利用多種數據進行建模

用戶可以盡早開展設計工作

Ø  基于各個零部件建立模型

用戶能夠通過修改某個零件來更新整體結構

Ø  通用參數定義方式

使用參數查找表或簡單輸入算式即能定義參數

 

 

動力學評估模塊

飛機綜合設計和飛行測試軟件(J2 Universal Toolki(圖4)

    評估模塊能夠使用戶創建修正和響應等模型分析,并將這些模型與事先建立好的飛機模型結合起來進行靜態和動態分析。

    在整個研發周期的早期開展靜態和動態分析,能夠快速發掘潛在問題,謹防由于低效和錯誤的設計理念而造成大量寶貴時間和金錢的浪費。

    通用的飛行動力學建模能力是設計者使用評估模塊的準則。海量的飛行和機動從而能夠進行預測和評估。

 

 

主要特征與優勢飛機綜合設計和飛行測試軟件(J2 Universal Toolki(圖5)

 

Ø  通用的飛行動力學建模能力

評估完整的飛行包線與更大范圍

對通常只能在飛行測試中進行分析的區域展開研究

(如升力/阻力曲線)。

Ø  該系統的使用貫穿整個設計過程

當飛機模型被更新時,可重新計算現有的配平和響應

Ø  分析發生任何問題的領域   

能夠在任何階段對設計進行分析評估,盡早發現問題

 

 

經典氣動分析模塊

飛機綜合設計和飛行測試軟件(J2 Universal Toolki(圖6)

    在對一個完整模型進行線性化時,通常都從一個初始條件開始,對該初始點進行線性化。既然已經獲得了從一系列不同飛機結構和飛行條件下得到的計算結果,我們可以從此展開分析。

    經典氣動分析模塊會采用上一個穩定狀態的分析結果,并從這一狀態開始線性化。與此同時,它將計算這一起始點的狀態空間矩陣組及其各階導數。從該狀態空間中可以建立特征值和特征向量,以及其相關的運動方程。

    所有工作都能夠通過一組完整的修正結果在幾分鐘內完成。利用這些結果,我們可以進一步對穩定性進行分析。

 

 

性能分析模塊

飛機綜合設計和飛行測試軟件(J2 Universal Toolki(圖7)

    性能分析插件程序使用已有的飛機模型數據,采用搜索的方式尋找最大/最小值,并且通過新的修正法則來實現相同功能。

用戶能夠進行以下性能分析

Ø  最大的升力/失速計算

Ø  轉彎和機動飛行(負載因子)

Ø  地面飛行速度

Ø  最大爬升和升限率

該參數作為根據特定感興趣區域計算得到的修正值或瞬間值。這一非常有價值的搜索規則特征能夠讓用戶不必進行性能計算就將其他因子和參數最大化/最小化。

 

 

可視化模塊

飛機綜合設計和飛行測試軟件(J2 Universal Toolki(圖8)

    該系統能夠讓用戶利用評估數據繪制圖形并查看和監控各模塊的分析,從而快速地生成最優的飛機結構。所有圖形和數據可以方便的傳輸至其他應用程序以生成報告。

 飛機綜合設計和飛行測試軟件(J2 Universal Toolki(圖9)

 

 

主要特征與優勢

 

Ø  完整的數據處理能力

無需購買額外的圖形工具

Ø  用戶定義的數據監控和圖釋

能夠快速查看和評估飛機的行為

Ø  從多數據集獲取交叉繪圖結果

創建完整的飛行包線圖

Ø  覆蓋以前執行的結果

比對設計更改對先前模型的影響

比較預測數據與實際飛行數據的差異

Ø  注釋圖

突顯感興趣的領域

將結果存入到報告文件中

 

 

Virtual 虛擬機模塊

飛機綜合設計和飛行測試軟件(J2 Universal Toolki(圖10)

    用虛擬機來掌握飛機在飛行中的狀況。該插件程序提供了獨特的3D可視功能,能夠在任何動作中展示飛機及飛行特點。

    虛擬機不僅讓用戶清晰了解到飛機如何對每次擾動進行響應,而且可以展示飛行測試數據,以清楚的展示飛機在完成某一難以描述的復雜飛行動作時的真實狀態。

飛機綜合設計和飛行測試軟件(J2 Universal Toolki(圖11) 

主要特征與優勢

Ø  能夠實時直觀的觀測到飛機飛行的狀態和過程

360°全景觀察

理解試飛員在試飛中談及的飛行問題

支持用戶定義的3D飛機模型和飛行場景

顯示多個飛行狀態和飛行路徑

Ø  綜合能力

無需購買額外的可視化工具

 

 

Developer 開發模塊

飛機綜合設計和飛行測試軟件(J2 Universal Toolki(圖12)

    開發模塊能夠發揮已有數據的最大價值

    有了本軟件,用戶不必再丟棄已經使用過的用來計算氣動性能、質量、慣量和推力特性的數據模型。開發模塊和軟件開發工具包(SDK) 使用戶能夠集成以往和現在的數據來找到最優的解決方案并獲得最大的投資回報。

    除此之外,用戶還將獲得所有配置、版本控制、數據管理能力、集成化可視能力,以及現有數據模型通用工具包的全面分析功能。

 

主要特性與優勢:

 

Ø  重用已有解決方案飛機綜合設計和飛行測試軟件(J2 Universal Toolki(圖13)

無需從工作中的解決方案里提取數據。只要將其插入

至通用工具包即可。

使用現有的預編譯解決方案作為基線進行敏感性研究;

在上方疊加變量

Ø  開放接口

任何語言編寫的模型都可以使用軟件開發工具包(SDK)進行打包

進行打包提供的模板適用于大多數編程語言

Ø  用戶至上的服務

無需計算導數來查明動力效果。

自動計算本地迎角,根據平臺、二面角和扭矩計算升力分布

在每個氣動條上展示速率變化,顯示橫滾、偏航和俯仰的變化

 

 

飛行員操控模塊(Pilot SDK

飛機綜合設計和飛行測試軟件(J2 Universal Toolki(圖14)

    放飛你的設計

 

 

    你曾想過在設計階段就看到飛機實時飛行嗎?利用飛行員插件程序自動接口/模型,你能夠在設計的任何階段于一個簡單的仿真平臺上,使用通用數據庫進行人工飛行。通過比較不同的設計方案得到的對飛行性能的完整理解。你也可以使用飛行員接口將完成的設計方案合并到完整任務模擬器,并將該模型集成到飛行員訓練模擬器。

 

 

主要特性與優勢 

Ø  含人回路分析飛機綜合設計和飛行測試軟件(J2 Universal Toolki(圖15)

使用實時含飛行員回路反饋的概念設計。使用含設計師回路

反饋的模擬飛行來進行評估和改進設計

Ø  接口簡單

插件程序式USB控制,可在即時桌面模擬器進行飛機操縱

標準的圖形界面符合行業標準的視覺系統要求。無需額外

工作來獲取'窗口外'的視覺效果

Ø  直接鏈接到數據庫

可直接從數據庫中選擇和飛行任何飛機

可通過鼠標單擊來查看燃料/存儲的配置和飛機的變化,或另一架飛機。

修改設計方案后可立即測試飛行結果,以獲得即時的反應和對照。

無需重新編寫或重新編譯代碼

Ø   協作能力

能夠通過互聯網打開飛機模型——設計和工程模塊可以創建數據模型,飛行模擬器能夠對其進行飛行測試

能以單機飛行模式飛行,或以多機飛行模式中的一部分飛行

 

 

Active 主動式插件模塊

飛機綜合設計和飛行測試軟件(J2 Universal Toolki(圖16)

集成化解決方案

    現有解決方案能夠在一定程度上滿足設計和工程的需求,它還能夠充分利用通用工具包的獨特設計能力,無需舍棄自身的仿真功能。這歸功于主動式插件程序的強大功能。

    主動式插件能夠將通用軟件包的強大功能與用戶當前的設計軟件功能合二為一,提供一個高效接口與所有外部應用程序相連,從而分析通用模型。主動式插件模塊中也包含與Matlab Simulink的接口,因此用戶可以快速展開工作。

    本模塊能夠令用戶將高度保真的飛機模型結構無損的連接到任何Simulink模型中,或高效的嵌入到任何軟件包中。

 

主要特征與優勢

Ø  集成已有的解決方案

無需重新編寫現有的分析方法,可直接使用通用工具包來工作。
開放式接口,適用于接任何語言編寫的分析工具,并允許外部工具直接訪問模型和結果。

Ø  協同工作

能夠將已有分析合并到統一的工作環境,在所有條件下保證數據一致性,提供一個中央設計環境。

Ø  提供Matlab / Simulink

Ø  內嵌式Simulink©模塊能夠直接投入已有或新建的系統設計,無需編寫將數據存入數據庫的代碼。

 

 

氣動條剖分模塊

飛機綜合設計和飛行測試軟件(J2 Universal Toolki(圖17)

氣動條剖分模塊通過計算所有氣動條的理論數據來自動得到總氣動系數和導數。

這種先進的插件程序能夠快速分析和研究不同飛機結構、機翼平面形狀和翼型特點-----這些都不需要計算復雜的導數和系數。

 

主要的特征和優勢 

Ø  能夠將整個升力表面分解為單獨的氣動條

能夠通過改變機翼表面的剖分個數來更精細的進行分析計算。

Ø  每個氣動條具有自身尺寸

能夠在任何機翼平面定義氣動條,研究不同的形狀區域的影響。

Ø  每個氣動條具有獨立的氣動系數

只需定義翼型系數,其余計算由氣動條剖分模塊自動完成。

Ø  自動計算迎角

能夠依據平臺、二面角和扭矩計算升力分布

Ø  自動計算動力學特征

無需計算導數就能得到動力學效果

Ø  每個氣動條的速率變化

展示橫滾、偏航及俯仰的變化

 

軟件流程圖

飛機綜合設計和飛行測試軟件(J2 Universal Toolki(圖18)

 

飛行匹配過程

飛機綜合設計和飛行測試軟件(J2 Universal Toolki(圖19)

 

軟件在模擬器上的應用 

飛機綜合設計和飛行測試軟件(J2 Universal Toolki(圖20)

 

軟件的國際客戶與合作伙伴分布

飛機綜合設計和飛行測試軟件(J2 Universal Toolki(圖21)

 

飛機綜合設計和飛行測試軟件(J2 Universal Toolki(圖22)

 

飛機綜合設計和飛行測試軟件(J2 Universal Toolki(圖23)

 

 

軟件成功案例及用戶評價

1.  該軟件用于巴西航空工業公司飛機

巴西航空工業公司飛機近期采用該軟件提高他們的概念/初步設計過程(CPD)。巴西航空工業公司有自己可信的航空建模環境,但一直在尋找如何采用新技術來提高內部設計能力。他們選擇通用軟件工具包,該軟件能夠融合他們基于FORTRAN運行的現有建模代碼,把傳統建模系統中有價值部分留存,這是一個至關重要的環節。

 

詳細過程如下:

第一周  關于軟件的培訓和指導

第二周  整合現有的建模環境((傳統的FORTRAN系統)

第三周  將現有的系統完整的遷移到全網絡通用框架的設計和分析環境:

 

    Decio Pullin德西奧普林,巴西航空公司初步設計團隊經理說:“當我們知道我們可以在通用工具套件的軟件環境中用現有的建模代碼,我們開始看到使用這個非常強大的分析和評估建模工具而產生的重大效益。我們最初的想法是只使用軟件來進行整個飛行力學分析。后來我們也打算在工程模擬器安裝此軟件,作為該項目的主要仿真軟件。

    在CPD(初步設計過程)階段使用該軟件,能夠讓設計團隊評估出比常規使用傳統工具多50%以上的設計方案。 

 

2. 該軟件用于Cassidian公司

    Cassidian公司在2010年通過使用該軟件極大的提高了工作效率。他們能夠更快的提供詳細的設計分析結果,并提升了整體設計過程的質量,包括歐洲戰斗機“Typhoon”

 

    Cassidian公司的目標是在其傳統建模系統中建立質量,慣性的模型和控制系統。該公司選擇通用工具軟件包是因為該軟件能夠無縫的集成基于FORTRAN運行下現存的氣動建模代碼。把傳統建模系統有價值部分留存,這是一個至關重要的環節。附加的質量,慣性和控制系統就可以被疊加到氣動模型,通過通用軟件包,為客戶提供完整的飛機系統解決方案。

 

    Stephan Hitzel 史蒂芬博士(Cassidian公司氣動設計和計算方法的專家)說:“我們在對軟件的評估中,發現該軟件在概念和細節設計中,其性能和周期方面有很大的潛力。毫無疑問,我們現在已經采用該軟件,其大大縮短設計和分析周期。同時,我們也得到了其他的收益,那就是在設計過程中探索飛機系統的多學科性。

 

3. 支持事故調查

 

Ø  支持和補充證據

該軟件包還可被用于飛行事故調查,用于幫助事故調查局等等機構進行事故重現和分析原因。

該軟件曾幫助英國事故調查局做過Piper Navajo, PA-31-325 C/R Navajo機型在外側機翼被樹撞擊損壞后的飛行動態響應。

該軟件包從模型構建開始,分析執行能夠滿足事故調查局提出的各項目標,并提供動態的視頻場景畫面。

隨后在與事故調查局的研討會中增加了附加信息,并使用該信息確定飛機在受到樹的影響時,如何進行270度的旋轉。這些結果和事故調查局的調查結果一致,包含首次受地面影響的位置。

飛機綜合設計和飛行測試軟件(J2 Universal Toolki(圖24) 

 

    從項目立項到最后的研討會,并確定模擬場景來匹配事故調查局的調查結果,整個過程只需要10天的時間。這表明該通用軟件包不僅功能非常強大,而且能夠調查空中事故,可以通過傳統的方式,以最短的時間獲得結果。飛機綜合設計和飛行測試軟件(J2 Universal Toolki(圖25)

 

Ø  飛行員評估

在使用該軟件包工作時,它還有進一步功能就是使用載人模擬器來飛行,該模擬器無需編寫和開發任何代碼。這就意味著當飛機模型正在被改進的同時,飛行員可以進行測試和評估。最后,當delta 模型被建立用來增加樹的打擊力以致于失去機翼,這些都可能在任何時間被自動添加到指揮/操作站,這意味著飛機在被樹撞擊后的可控性能夠完全被預測。

由飛行員提供的配置模擬器,提供完整的集成系統,工程工作站直接集成到桌面或者高仿真模擬器。

飛機綜合設計和飛行測試軟件(J2 Universal Toolki(圖26)

 

 

4. 模擬器相關產品

該軟件的仿真功能已經被成功運用到G座飛行員教練機,例如歐洲戰斗機Typhoon, M35 Hawk and F35 lightning 2。6自由度飛行員模擬座椅,其結合該軟件提供的最新動態飛機建模技術,已經成為一個真正獨一無二的產品提案