CEASIOM    专业3D飞机多学科优化设计与飞行模拟软件平台

一 、CEASIOM简介

        现代飞机总体设计是从概念设计到初步设计阶段，进而到飞机总体方案详细设计的全过程，其蕞终的目标是给定蕞优的飞机总体方案。确定飞机总体参数的过程是非常复杂的，需要经验和反复迭代，因而要花费大量的时间。传统的依据半经验理论和数据进行飞机设计已经满足不了现代飞机复杂的设计要求。面对当今世界经济和科技的快速发展，越来越多的人认识到, 特别是针对现代飞机的高标准和高要求，开发一个更复杂、更强大的专门用于飞机设计的工业软件系统已是大势所趋。如果有一套软件，将这一过程程序化，不仅可以从冗余的计算、迭代中解脱出来，而且还可以在短时间内完成一个或多个满足设计要求的方案设计。从而大大缩短了飞机设计周期，节省费用。专业3D飞机多学科优化设计与飞行模拟软件平台CEASIOM可以满足飞机设计的各类需求，CEASIOM软件采用虚拟飞机模型将多学科分析技术应用在飞机概念设计阶段，同时软件提供一个完整的交互式、一体化飞机设计平台和决策制定环境。国际先进飞机设计及多学科优化平台CEASIOM欧洲研发团队与中仿科技签订深度合作协议，决定建立战略合作伙伴关系并正式开展全球性合作。

        CEASIOM(Computerised Environment for Aircraft Synthesis and Integrated Optimisation Methods)是集成飞行器设计、仿真和模拟为一体的多物理分析综合仿真平台。将高保真度物理模型和多学科设计优化引入飞机概念设计早期阶段；采用现代化软件开发技术，高效集成了参数化飞机模型设计模块、自动化网格生成系统模块、空气动力学数据库生成模块、仿真与动态稳定分析模块、飞机控制系统设计工具包模块、气动弹性和结构分析模块等多种先进软件工具；有助于降低设计风险、提高设计质量和缩短设计周期。CEASIOM遵循国际通用飞机数据标准CPACS，利用虚拟飞机模型将多学科分析技术应用在飞机设计阶段，兼容众多概念设计和分析工具，支持飞行模拟等广泛应用，提供一个完整的飞机设计平台、软件模拟平台和决策制定环境。

        CPACS是德国宇航院(DLR)为了加强飞行器概念—初步设计阶段各学科之间的交流，于2005年开发的能够包含各个学科信息的数据标准。在多学科分析环境中，CPACS数据交换格式不仅可以有效地减少各学科、各分析模块之间数据交换的工作量，还能使分析模块之间相互独立，减少分析模块之间的相互影响，因此使用CPACS数据格式是建立高效飞行器设计优化链的关键。对于三维气动外形，通过NURBS方法对翼型进行参数化描述，结合CPACS气动外形的平面形状参数 ，从而得到全机的参数化几何外形。

        CEASIOM专业3D飞机多学科优化设计与飞行模拟软件平台满足各类飞行器的开发设计和模拟分析，可有效解决飞机整体设计与仿真等系统问题。CEASIOM已经成为全球飞机设计领域的主要软件工具之一，极大提高了飞机设计与性能分析的技术水平。可同时进行单引擎小飞机、中型商务客机、大型民航机与军用飞机等设计分析及进行模拟实验分析。该软件面向飞机研究院所工程师、大学教师、学生、飞机设计及改装爱好者和专业的飞机拥有者等。用户可应用CEASIOM完成飞机开发、模拟仿真实验和三维建模等多种任务。

  图1.1飞机设计寿命周期成本中高达80%的将部分在概念设计阶段产生

 图1.2  CEASIOM 运用虚拟飞机模型，多学科分析带入早期概念设计阶段

 

二、CEASIOM产品主要特点：

•  CEASIOM软件提供以下解决方案：
•  设计更环保、更轻、更安全的飞行器
•  有效降低概念设计阶段的设计风险、成本和设计周期
•  设计高效的飞行器控制系统
•  分析和改良现有飞机的性能
•  优化飞机外形以提升飞行器性能
•  用物理理论取代半经验模型进行气动弹性设计
•  利用虚拟飞机模型结合多准则定律进行飞机概念设计
•  提供交互式、一体化设计的决策环境  

三、CEASIOM软件功能模块

        CEASIOM 包含众多子模块，有设计模块、模拟模块，以满足实际工程需要。CEASIOM软件采用虚拟飞机模型将多学科分析技术应用在飞机概念设计阶段，同时软件提供一个完整的交互式、一体化飞机设计平台和决策制定环境。模块包括：

• 参数化飞机模型设计模块（CEASIOM/CPACScreator）
• 自动化网格生成系统模块（CEASIOM/SUMO）
• 空气动力学数据库生成模块（CEASIOM/AMB-CFD）
• 仿真与动态稳定分析模块（CEASIOM/SDSA）
• 飞机控制系统设计工具包模块（CEASIOM/FCSDT）
• 气动弹性和结构分析模块（CEASIOM/NeoCASS）
• 自适应网格超声速气动分析（CEASIOM/ARC）
• 飞行控制仿真及模拟系统（CEASIOM/FSS）
• 总体气动及流体仿真计算（CEASIOM/CFD）
• 飞机防冰仿真分析（CEASIOM/ANTICE）
   

图3.1  CEASIOM软件数据流程图         图3.2  CEASIOM软件飞机建模

图3.3  CEASIOM 功能模块结构图

 图3.4  CEASIOM 功能模块流程图           图3.5  CFD & CSM网格划分步骤图

3.1  参数化飞机模型设计模块（CEASIOM/CPACScreator）

        参数化飞机模型设计模块CEASIOM/CPACScreator（The Common Parametric Aircraft Configuration Schema）是CEASIOM软件中的模块之一，该模块可以完成飞机概念设计过程中的以下工作任务：

1. 飞行器几何外形的参数化

2. 可视化的飞机外形构造

3. 众多的飞机参数输入

4. 输出XML形式的文档，用于后续模块的应用。

 图3.6  CPACScreator结构分布图            图3.7  CPACScreator在数据流中的位置

• CEASIOM/CPACScreator是一个具备图形编辑功能的XML文件
• 支持运行Matlab工具
• 是NeoCASS模块前处理器
• 有TIGL特定资源库
• 数据模型,用于飞机的初步设计
• 飞机、直升机和引擎设计

        CEASIOM/CPACScreator模块设计完成以后，飞行器的几何参数设定完毕。经过该模块计算以后，会形成一个新的XML文件，该文件包含了初始XML中的数据，同时还包含一些经过本模块计算得到的新的参数。需要注意的是，在本模块的计算过程中，XML文件中的一些初始数据有可能新数据被覆盖，文件中包含的数据将会在接下来的模块中应用。

图3.8  CPACScreator模块应用

3.2  自动化网格生成系统模块（CEASIOM/SUMO）

        CEASIOM软件中的CEASIOM/SUMO模块可以用来对飞机结构进行网格画分。该模块包含了模型的面网格和体网格生成器，可由IGES格式的模型导入。图3.10 (a)为利用该模块划分的飞机结构面网格，图3.10 (b)为利用该模块划分的飞机结构体网格。

(a) 面网格                          (b) 体网格

图3.9 利用CEASIOM/SUMO模块得到的飞机面网格及体网格

图3.10  SCEASIOM/SUMO模块     图3.11 SCEASIOM/SUMO模块

在数据流图中的位置               不同层次几何体的网格划分

 几何体建模               面网格划分               体网格划分
图3.12 CEASIOM/SUMO模块网格划分的基本流程(以Ranger2000为例)

3.3  空气动力学数据库生成模块（CEASIOM/AMB-CFD）

        空气动力学数据库生成模块CEASIOM/AMB-CFD（Aerodynamic Model Builder computational fluid dynamics）包含了不同的空气动力学求解方法，这些求解方法具有自适应高保真特点。

• 稳态和非稳态的TORNADO求解模型用于求解低速空气动力学和启动弹性问题。
• 集成了边界CFD方法用于求解高速空气动力学及气动弹性问题。
• RANS求解器用以仿真高精度飞行条件分析。

        飞机的各不同阶段的质心分布经过重量与平衡控制计算模块计算完成以后，就可以对飞机的空气动力特性进行初步的估计。CEASIOM采用DATCOM来计算结构的初步空气动力学特性。该软件在飞行器初级设计阶段具有较高的使用价值。图3.13为软件给出飞机几何构造及其空气动力学分部特性图。

图3.13  CEASIOM/AMB-CFD模块计算所得到的飞行器结构及初步空气动力学性能

CEASIOM/AMB-CFD 模块功能：

•  状态及空气动力学表格参数定义
•  几何及机翼结构验证
•  由以下方法计算得到数据库：
•  数字Datcom求解器
•  Tornado求解器
•  基于三维模型的Edge求解器

图3.14  CEASIOM/AMB-CFD模块图      图3.15 CEASIOM/AMB-CFD模块的结构图在数据流图中的位置                    

3.4  仿真与动态稳定分析模块（CEASIOM/SDSA）

        仿真与动态稳定分析模块CEASIOM/SDSA（(Simulation and Dynamic Stability Analyser）使用六自由度数学非线性模型模拟飞机的运动。飞行仿真模块可以用来执行测试飞行并记录实时飞行参数，记录的数据可用于识别典型的动作模式及其参数(阻尼系数,相移)。CEASIOM/SDSA是一个独立的应用程序集成到CEASIOM，作为CEASIOM的一个仿真和动态稳定模块。

图3.16 CEASIOM/SDSA模块在数据流图中的位置      图3.17 CEASIOM/SDSA模块的结构

CEASIOM/SDSA模块具有以下功能：

稳定性分析：

• 特征值分析
• 时间历程分析
• 静力学边界

六自由度仿真：

• 飞行测试响应
• 湍流分析

LQR飞行控制系统

• 飞行员模式及稳定性分析系统

 

（一）振动特性

        图3.18 所设计飞机的振动特性图。

图3.18 飞行器振动特性

（二）空气动力学特性

        图3.19 得到的空气动力学特性关系。

图3.19升力系数、阻力系数随着攻角的变化关系图

特征值分析                       飞行仿真

静态裕度                      飞行范围

图3.20  CEASIOM/SDSA模块动力学仿真

3.5  飞机控制系统设计工具包模块（CEASIOM/FCSDT）

        飞机控制系统设计工具包模块CEASIOM/FCSDT（Flight Control System Design Toolkit）有两个主要功能：

1. 飞机控制系统本身设计

2. 飞机空间设计分析

        飞机控制系统设计工具包模块（CEASIOM/FCSDT）的设计和分析的功能有：

• 飞机控制系统架构设计
• 可靠性分析
• 失败模型研究
• 控制分配
• 响应模拟
• 稳定与控制分析
• 处理质量评估
• 飞行模拟

图3.21 CEASIOM/FCSDT模块          图3.22 CEASIOM/FCSDT飞行

在数据流图中的位置                   控制系统子模块

图3.23  CEASIOM/FCSDT飞行控制系统结构布局图可靠性分析

3.6  气动弹性和结构分析模块（CEASIOM/NeoCASS）

        气动弹性和结构分析模块CEASIOM/NeoCASS（Next generation Conceptual Aero-Structural Sizing Suite）是一个适合概念和初步设计飞机的数值分析工具。它的主要目的是对早期设计阶段中依靠经验公式计算机体轴承关于结构重量的改进。事实上，软件帮助设计师在飞机的结构发展和通过结构、空气动力学数值方法调查空气弹性变形上有物理基础。因此, 气动弹性和结构分析模块用来设计创新和罕见的飞机布局。

气动弹性分析模块CEASIOM/NeoCASS主要功能：

• 分析结构大小不同的机动飞行
• 用不同的数值分析方法解决空气弹性变形
• 依据用户的标准对飞机设计结构优化
• 线性或非线性等效板面元素分布
• 集中质量对机身结构做有效分析
• 涡格法(VLM)稳定亚音速气动弹性分析
• 颤振模型解算器
• 在整个不稳定飞行中用颤振解算器有效地评估颤振
• 为变形飞机进行静态空气弹性变形分析计算

 图3.24  CEASIOM/NeoCASS模块     图3.25 CEASIOM/NeoCASS气动弹性

在数据流图中的位置                和结构分析模块的用户界面

        CEASIOM/NeoCASS可以作为一个独立的应用程序或一个多学科的设计环境。可用于提供初步的细节(如刚度和质量分布、重量)及其静态或动态变形的设计分析。                                        

图3.26 气动弹性和结构分析模块 CEASIOM/NeoCASS              图3.27  CEASIOM/NeoCASS结构关系图     

图3.28 飞行器质量点线结构划分技术（以TCR为例）

3.7  自适应网格超声速气动分析（CEASIOM/ARC）

图3.29 CEASIOM/ARC模块生成的初始自适应笛卡尔网格

 

3.8  飞行控制仿真及模拟系统（CEASIOM/FSS）

        CEASIOM/FSS模块利用刚体动力学理论，模拟出飞机在给定飞行初始条件和控制输入下的动态响应，测试飞机的稳定性和操纵性。根据飞机质量和气动参数计算飞机的飞行和操纵品质以及动力学特性，对飞机总体、气动和结构设计提供反馈与修正信息和建议。根据期望的飞行和操纵品质，利用多种自动控制原理设计方法，自动计算出飞机模态参数和对应控制器结构与控制律。

图3.30 飞行控制系统设计

 

3.9  总体气动及流体仿真计算（CEASIOM/CFD）

        CEASIOM/CFD采用基于CFD的数值求解技术，优化飞机总体布局设计，并对气动力设计中的关键技术进行分析计算。拥有领先的CFD湍流计算模型和高效的气动噪声模型。解决总体技术方案与气动布局选型、总体外形参数优化、超临界机翼与高效增升装置研究、气动控制与减阻技术、大展弦比机翼气动弹性分析计算技术、高效的气动降噪与发动机降噪技术、超临界机翼颤振分析和空投与空降时飞机稳定性分析等。

图3.31 CEASIOM/CFD模块外部压力系数分布云图

 

3.9  飞机防冰仿真分析（CEASIOM/ANTICE）

        飞机防冰仿真分析(CEASIOM/ANTICE)模块采用有效的流体计算技术和软件工程化技术，保证计算的精度和效率。采用温度场残差实时监测、计算步长、松弛因子智能调节的计算方法，提高耦合计算的精度，加快计算进程。同时，采用高效的矢量运算库数值计算软件编程技术，充分发挥系统的计算能力，把计算速度提高到蕞高，满足求解速度的高要求。基于MPI、OpenMPI、Intel TPP等并发编程方式引入多线程和多核计算能力，从而使求解器具有并行计算能力，能够利用多核CPU大幅提高计算效率。

图1 防冰物理模型示意图

        飞机防冰仿真分析(CEASIOM/ANTICE)模块预留广泛的接口，支持多机型数值模型的导入，对机翼、风挡和短舱内流场模型分别建模，保证系统平台的兼容性。民机防冰性能分析系统预留与主流CAE软件接口，支持外部模型以及数值结果导入和导出，打通了数值交换通道。

四、CEASIOM软件使用客户

        专业3D飞机多学科优化设计与飞行模拟软件平台CEASIOM是欧盟第六框架计划项目 SimSAC（Simulating Aircraft Stability And Control Characteristics for Use in Conceptual Design）的主要成果。该项目投资500多万欧元，历时3年，由瑞典皇家工学院 KTH、瑞士CFS工程公司、瑞典国防研究院FOI、德国宇航院DLR、法国宇航院ONERA、瑞典SAAB飞机公司、欧洲宇航与防务公司EADS、法国Dassault飞机公司等 17 家单位联合承担。中仿科技负责开发其商业版CEASIOM并享有其全部源代码以及产品专利和版权。
部分用户列表：
 

• 波音公司
• 空中客车公司
• 俄罗斯联合航空制造公司
• 庞巴迪宇航公司
• 瑞典萨博飞机公司
• 中国航空研究院
• 西安航空计算技术研究所
• 北京航空航天大学
• 南京航空航天大学
• 西北工业大学

五、关于中仿科技（CnTech）公司

        中仿科技（CnTech）成立于2003 年，是中国领先的仿真分析软件和系统解决方案的提供者。中仿科技依靠自主创新研发拥有自主知识产权的中仿CAE 系列产品，同时与国际上领先的数值仿真技术公司拥有长期而紧密的合作关系，具备较强的自主研发能力和创新能力，能够为中国企业和科研机构提供世界领先的仿真技术解决方案。公司总部设在上海，目前在北京、武汉设有分公司。

        过去的十多年来，中仿科技一直致力于仿真技术领域蕞专业的系统实施和项目咨询。目前在中国已有超过1500家用户，其中包括中国航天、中国商飞、中石化、中海油、交通部、地震局、国家电网、中广核以及各大高校和中科院所。服务领域涉及高端制造、国防军工、石油化工、水利水电、汽车交通、能源采矿、生物医学、教学科研等。

        国际先进飞机设计及多学科优化平台CEASIOM欧洲研发团队与中仿科技签订深度合作协议，决定建立战略合作伙伴关系并正式开展全球性合作。根据协议约定，CEASIOM欧洲团队负责航空设计系统理论支撑，中仿科技团队享有CEASIOM全部源代码以及产品专利和版权。在商业渠道管理方面，中仿科技负责除欧洲之外其它地区的协调，支持及营销工作。

        “仿真智领创新”是中仿企业的核心理念，也是中仿坚持的产品核心价值观。中仿始终遵循“客户满意为止”的服务宗旨，坚持不懈地为国内外客户提供全球蕞前沿蕞顶端的科技服务，力争成为仿真技术行业的典范。
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