X-95鼻錐-用設計軟件降低重量
X-59超音速試驗機碳纖維增強塑料前錐
X-59是一種實驗性噴氣式飛機，由洛克希德·馬丁臭鼬工廠（美國加利福尼亞州帕姆代爾）設計和制造，美國國家航空航天局使用它進行研究，作為其Quesst（安靜超音速技術）任務的一部分，以減少超音速飛機的音爆。Swift Engineering股份有限公司（美國加利福尼亞州圣克萊門特）簽約建造這架飛機38英尺長的鼻錐，旨在控制超音速飛行過程中尖端形成的空氣動力壓力波（沖擊波-shock waves）。但首先，Swift需要與Skunk Works合作進行初步設計——采用蜂窩芯和碳纖維增強環氧樹脂蒙皮的三明治結構——并完成鼻錐的結構尺寸、分析和測試驗證。
詳細了解X-59的設計、制造、組裝和測試。
為此，它使用了科利爾航空航天公司（美國弗吉尼亞州紐波特紐斯）的HyperX軟件，該軟件能夠將鼻錐的重量減少25%以上。它還使Swift Engineering能夠評估各種負載情況下的設計，使用允許的數據進行詳細的故障分析，并優化可制造性。Swift Engineering的技術顧問比爾·詹內蒂 (Bill Giannetti)表示：“我們要在緊迫的項目截止日期前完成工作，唯一的辦法就是自動化應力分析。我知道HyperX軟件可以做到這一點，并且還可以生成我們需要的報告，以使這種結構獲得飛行認證。”事實上，Giannetti的團隊不僅能夠滿足減重要求，而且能夠在預算范圍內提前交付鼻錐。
減少吊桿和重量
當這篇文章在2025年初夏起草時，X-59正在進行地面測試，為多次飛行的首次飛行做準備。其任務是收集數據，以幫助為Boom Technology（美國科羅拉多州Centennial）的XB-1等飛機的商業超音速飛行建立可接受的噪音標準，該公司已經開始投入生產。由于X-59的細長鼻錐，預計它將大大減少超音速飛行的噪音影響。
Swift Engineering在9個月內設計鼻錐并在6個月內建造的合同是在與Skunk Works的一次會議上開始的。詹內蒂說：“我在Swift Engineering工作了大約8年，當時是結構組的技術研究員。”。“在他們的項目經理審查了目標后，他強調，對于我們可以從鼻子上移除的每一磅質量，他們可以從X-59尾部移除3磅，以優化重心。我堅持地說，我們不僅可以按時完成結構設計優化，而且我們可以從他們400磅的原始設計中提取100磅。然而，他們必須向整個工程團隊提供帶有Skunk Works標志的馬球衫。他同意了。”
Swift Engineering的X-59鼻錐設計、分析和驗證流程，指出HyperSizer和Hypermesh現在包含在HyperX中。
“我們的時間表非常特殊，”他繼續說道。“但我知道我們可以用HyperSizer來實現這一點，HyperSizer是當時Collier套件中的一種產品的名稱。我們會采用他們的有限元(FE- finite element )模型，并在其上放置我們的特定機頭配置。然后我們會運行所有負載情況，并挖掘關鍵負載情況的數據，完善我們的模型，然后運行HyperFEA，它將您的最終分析結果輸入HyperSizer以重建模型卡。然后我們重新運行FEA并繼續這樣做，直到我們達到所需的最小質量安全裕度。我知道該軟件還將生成所需的最終認證級別報告。這是我們按時完成的唯一方法。然而，拉動結構之外的質量將完全是另一回事。”
調整尺寸，在第一次通過時達到質量目標的60%。Swift工程團隊的第一個問題是，最初提出的32英尺長的配置在他們收到的CAD文件中實際上是38英尺。“我們從容應對，開始了我們的工作流程，” 詹內蒂說。“我們將最初的設計從使用具有單個艙壁的實心層壓板轉換為具有多個艙壁的最小尺寸蜂窩結構。通過這種方法，我們覺得我們可以將質量從結構中拉出，同時仍然滿足嚴格的波紋度和變形要求。結構需要非常堅硬。
“然后，我們建立了模型，用一個殼單元平面表示面板和核心，并得到了270個臨界載荷情況。我們建立了有限元分析并運行了載荷情況。然后我們拉了所有的應力，然后我們在HyperSizer中進行了設置，并開發了我們的面板尺寸，這是HyperSizer集成的關鍵步驟之一。我們加載了所有的材料卡和所有的艙壁，并給它提供了一系列層壓板供選擇。然后我們按下了求解按鈕，只需第一次通過，我們就可以實現100磅質量減少目標的60%。”
材料，最終減少30磅
由于時間緊迫，詹內蒂的團隊選擇了一種具有完整定義的材料允許范圍的材料。他解釋說：“我們需要選擇一種已經合格的材料，因為我們沒有時間測試任何東西。”。該材料是Toray Composite Materials America（美國華盛頓州塔科馬市）2510預浸料，采用T700S標準模量碳纖維，在250°F固化的增韌環氧樹脂中，具有公共AGATE數據庫，Toray指出，該數據庫是為航空航天主要結構的熱壓罐外（OOA- out-of-autoclave）加工而配制的。
詹內蒂說，該團隊隨后執行了一系列尺寸優化步驟，“但我們沒有實現100磅的質量減輕。因此，我們使用了HyperSizer中的一個功能，該功能通常有助于確定機翼中肋骨的最佳數量。它基本上從給定的間距開始，然后迭代，直到你提出一個質量優化的結構。對于你試圖實現的載荷、材料和結構特性以及安全裕度，將有一個最佳配置。我們用它來定義艙壁的數量、尺寸和位置，這將使我們能夠實現質量優化結構。我們基本上采用了機翼概念并將其應用于機頭。這又為我們節省了10%的質量。但我們仍然還有30英鎊。”
詹內蒂和他的團隊討論了他們的選擇。他說：“我們使用了一個對稱的三層三明治，三層芯，直徑為1/8英寸的蜂窩，用于每立方英尺3磅的Nomex蜂窩芯。”。“看看這個結構，我認為我們可以消除最內層，這將拉出大約30磅。所以，我們采用了三層外層、核心和兩層內層的結構。我們達到了目標，我們的隊員得到了馬球衫。”
故障標準、驗證測試
詹內蒂指出，Swift Engineering也在創紀錄的時間內完成了交付，“我們提交了一份公司認為是使用HyperSizer定義類別的報告。我們粘合和栓接艙壁的每個螺栓都有承載余量，使用的性能包括高溫和亞環境溫度下的屈曲。我們使用熱/濕裸眼壓縮（OHC-open hole compression）性能作為定義失效標準。這些是最保守的性能，這使我們能夠滿足疲勞要求，因為我們使用最大OHC應變作為尺寸應變。然后我們將主應變與該值進行了比較，這給了我們安全裕度。這有點保守，但它涵蓋了疲勞、隨機振動和所有這些次要的長期影響和要求。”
Swift Engineering隨后建造了一個300磅、38英尺長的全尺寸結構，并完成了測試以驗證設計。詹內蒂說：“他們進行了垂直變形測試，基本上是向上、向下、向左和向右推，看看是否能聽到任何形式的應力釋放或開裂，這是你在使用聲發射進行此類測試時通常會聽到的。它很安靜，擊中了所有標記。我們的數字是正確的，我們對此感到非常興奮。”
檢查所有負載情況、故障分析
科利爾航空航天公司由克雷格·科利爾（Craig Collier）創立。他解釋說，HyperSizer最早是在30年前開發的，現在已被HyperX取代。他說：“它有不同的外觀和感覺，而且更強大。”。“從計算的角度來看，它是多線程和多進程的。HyperX保持了所有相同的功能，但它是一個全新的代碼庫和真正的下一代軟件，而不僅僅是升級。”
“我在20世紀80年代參與了B2轟炸機的研制，”他說。“盡管我們對我們的計算充滿信心，但我們沒有時間檢查每種可能的負載情況。我們必須篩選出我們認為不同區域的關鍵負載情況。從這些情況中，我們也不一定能進行所有的故障分析，因為我們沒有時間。所以，我們做了我們認為最能控制的分析。在Collier Aeropsace，我們多年來的愿景是使用高性能計算實現極快的計算能力，這樣我們就可以處理結構上的所有外部負載，而無需假設哪些負載是關鍵的。對于其中的每一個，我們都會處理所有的失效分析。但我們也包括可追溯性，在任何時候你都可以深入了解并檢查每個中間計算，以驗證輸入的數據是否是您批準的。”
他指出，HyperX還使公司能夠定制他們想要如何進行認證分析?？评麪栒f：“他們將允許的方法與故障分析方法結合起來。”。“HyperX可以由一大群人使用，確保每個人都在一致地使用它，這是整個分析認證方法的一部分。您還可以在所有故障分析中使用一致的數據，從而提供交互式可追溯性。”
更新負載收斂設計
科利爾解釋說，HyperX與FEA代碼無關。“我們可以使用Nastran和Abaqus等領先的有限元分析程序從模型中提取結果，然后同時進行故障分析，探索不同的層壓板選項或芯密度或芯深度，以減少可能發生的任何潛在故障。”
“但是，您還必須使用FEA求解器進行迭代，以便在更改結構時收斂負載路徑，”他指出。“我們的軟件使用層壓板中材料系統剛度矩陣的正確術語更新有限元法，如果你想通過分析進行認證，這也是你必須具備的能力的一部分。你不僅必須有良好的失效標準，而且能夠以適當的方式與最終模型進行交互。”
詹內蒂強調了這一點的重要性。“你需要包括用新設計更新FEM的過程，并用FEA求解器迭代以獲得負載路徑收斂，”他解釋道。“當你對模型或結構進行更改時，結構中的載荷分布就會發生變化。你上一次的優化設計現在可能沒有足夠厚的層壓板，而在其他地方則不夠薄。因此，你進行了這些更改，并將其放回有限元法中以獲得新的載荷路徑。但你必須以正確的方式進行，HyperX非常擅長更新有限元法，以便在下一次迭代中獲得正確的有限元法內部載荷路徑，從而可以獲得正確的安全裕度計算。”
將循環壓縮到認證
“如果我們使用與鼻錐類似的方法，我們可能會在一半的時間內用10%的人完成這項工作。”
詹內蒂舉了一個例子，說明該軟件包如何將工程周期壓縮到認證。“我所在的一個由60名工程師組成的團隊花了一年多的時間進行了與這個鼻錐類似的分析，但針對的是直升機飛行結構。我們被要求使用一種不同的方法，使用有限元分析來生成載荷，然后在另一個軟件中使用這些載荷來基本上手工計算所有的應力和裕度。我們最終分析了900多個組件，如果我們使用與鼻錐相似的方法，我們可能可以在一半的時間內用10%的人完成這項工作。
“最后，在這個過程的最后是壓力報告，”他繼續說道，“我們能夠顯示機構中每個位置的所有輸入和輸出的每一個故障分析安全裕度。仍然需要進行全面測試，但有能力制定一個更好的過程來確保沒有遺漏，對所有可能出錯的事情進行調查和評估——你不能用物理測試來做到這一點。”
詹內蒂指出，HyperX有一個新的圖形用戶界面（GUI-graphic user interface），具有更有序的結構樹。他指出：“在過去的FEA中，一切都是命令并寫入塊中。”。“新的GUI使用圖標作為功能，允許您快速深入查看大量命令，這為用戶提供了更大的能力。它更符合邏輯，使用更快，實現了更優化的工作流程。”他補充說，Collier的軟件為他節省了無數小時，不僅在自動化分析方面，而且在認證的最終報告中。“工程師不應該寫報告。他們應該能夠點擊報告按鈕。這就是HyperX提供的。”
原文《Cutting 100 pounds, certification time for the X-59 nose cone》
楊超凡
