設計輕質且成本低廉的復合材料結構
X-59空中（來源：Collier Aerospace）
航空航天工程師需要比較潛在復合材料結構的設計，以總重量和可制造性設計（DFM）為考量標準。這些設計之間存在權衡。例如，面板間尺寸變化較多的復合材料結構重量更輕，但制造難度更大，成本更高；而面板間尺寸變化較少的結構則重量更重，但制造更易，成本更低。
如今，計算機輔助工程（CAE）軟件，如Collier Aerospace的HyperX®，能夠優化材料系統和面板橫截面尺寸的最輕組合。然而，航空航天工程師還需要一種能夠全面展示所有可能設計并具備安全裕度的方法，以及一個便于有效比較這些選項的界面。為此，科利爾航空公司開發了HyperXpert®工具。
傳統的CAE應用不便于設計空間探索，因為它們僅提供一個數據點，不利于穩健的設計比較。此外，非航空航天專用的CAE軟件可能無法生成初步和關鍵設計審查所需的應力報告。然而，工程師必須向監管機構提供飛機機身認證的安全裕度計算。
總部位于弗吉尼亞州紐波特紐斯的科利爾航空航天公司正在解決這些及其他諸多挑戰。其HyperX®軟件利用有限元分析（FEA）結果進行尺寸優化，確定材料重量最輕的組合及面板橫截面尺寸，包括鋪層角度和堆疊順序，使工程師能快速分析設計替代方案并考慮權衡。
HyperX®軟件優化復合材料結構設計，無需工程師更換現有工具。該軟件的數據庫建立了數字線程，并與Nastran、Abaqus、Optistruct、HyperMesh、Catia、3DX和NX CAD等主流FEA和CAD軟件協同工作。使用HyperX軟件，工程師可查看所有面板、載荷情況和失效標準的最輕重量設計，無需重新提交FEA。
HyperXpert®作為HyperX工作流的擴展工具，可執行全因子實驗設計（DOE），并在重量與尺寸變化圖中展示設計空間的最佳選項。不同于其他實驗設計方法，全因子DOE工具分析每個變量的所有組合，確定各變量的單獨影響，幫助工程師決定變量關聯方式及相互影響。
由于DOE工具以圖表形式組織數據，工程師可快速比較結果、審查趨勢并選擇最佳設計進行制造。通過在概念設計初期量化制造可行性因素，用戶可避免不必要的成本并加速項目進度。更重要的是，全面查看所有選項可增強設計選擇的信心。
以下兩個案例研究展示了創新公司如何利用這些先進軟件解決方案設計輕質且成本效益高的復合材料結構。
快速工程與X-59機鼻錐
位于加利福尼亞州圣克萊門特的Swift Engineering公司設計和建造高性能航空航天飛行器。近期項目包括洛克希德·馬丁臭鼬工廠（Lockheed Martin Skunk Works®）的X-59試驗飛機加長機鼻錐，該項目是美國國家航空航天局（NASA）安靜超音速技術（Quesst）任務的一部分，旨在建立可接受的陸地商業超音速飛行噪聲標準。
X-59機鼻錐（來源：Collier Aerospace）
幾十年來，監管機構禁止此類飛行，因其產生的音爆聲可達194分貝（dB），損壞物理結構。飛機重量是音爆聲和強度的重要因素，但X-59機鼻錐還需引導氣流并提供受控的空氣動力學壓力分布以減輕沖擊波影響。
初步設計為400磅，采用石墨/環氧復合材料和蜂窩芯三明治結構。Swift Engineering使用HyperX®軟件去除多余堆積，優化設計以應對應力和穩定性，最終將機鼻錐重量減少超過25%，降至300磅。憑借獨特幾何形狀，X-59預計將產生幾乎聽不見的沉悶聲而非音爆，延長的機鼻錐設計是關鍵。
除設計和建造外，Swift Engineering還負責結構分析和認證測試，評估各種載荷情況，并為部件放行和制造提供詳細應力報告。借助Collier Aerospace軟件，Swift Engineering按時且低于預算完成項目要求，提前交付X-59機鼻錐。
拉迪亞和WindRunner™貨運飛機
Radia，一家總部位于科羅拉多州博爾德的航空航天制造公司，正在建造世界上最大的飛機——WindRunner™，用于將長達100米（330英尺）的葉片運至陸上風電場，克服地面運輸限制。早期階段，Radia便尋求Collier Aerospace作為軟件提供商和工程顧問。
Radia采用科利爾航空公司的結構尺寸和分析方法，對機翼、機身、肋條、梁、桁條等復合材料和金屬部分進行配置評估。利用HyperX®軟件的自動化尺寸功能，考慮非增壓機身的巨大尺寸和容量等不尋常變量，迅速取得重大進展。
科利爾航空航天HyperX軟件中的Radia WindRunne
在加快工程周期和縮短美國聯邦航空管理局（FAA）及歐盟航空安全局（EASA）認證流程的同時，Radia正從復合材料結構中去除重量和成本，并計劃使用科利爾航空公司的軟件驗證供應商在詳細設計階段的結構尺寸工作。
新的高度與正確的工具
像Swift Engineering一樣，Radia正借助正確工具攀登新高峰。Collier Aerospace的HyperX®軟件能識別最輕材料和面板配置，包括層壓角度和堆疊順序，使航空航天工程師高效評估設計權衡。HyperXpert®通過評估所有變量組合，增強設計過程，幫助工程師理解和可視化各因素對復合材料結構設計的影響。
這些軟件解決方案支持更快、更明智的決策，推動監管合規性和可制造性設計（DFM）。Swift Engineering和Radia等公司利用Collier Aerospace軟件優化設計，無需更換現有工具或重新提交FEA，更高效地設計出更輕、成本更低的復合材料結構。
