項目介紹
來自阿拉巴馬州亨茨維爾QinetiQ的生命周期研究中心的服務和解決方案團隊支持美國陸軍航空和導彈研究、發展和工程中心(AMRDEC)，以及航空工程指揮部（AED）和結構與材料部（SMD）。QinetiQ結構工程師Michael Chandler描述到：AED是“美國聯邦航空局（FAA）的軍用版”，負責軍用飛機的適航管理。QinetiQ的主要任務是對即將成為軍用飛機新部件和系統的性能進行工程分析和檢驗。
挑戰
目前一大部分軍用飛機是基于傳統平臺設計的。這些飛機的規劃經理們面臨著如何將新的技術融入到這些舊平臺的巨大挑戰，使這些飛機滿足當前不斷擴展的任務需要。然而，這些新的設備和系統的加入通常會增加飛機的重量。為了在持續添加新技術組件的同時仍保持飛機的性能，飛機的一些部件就需要進行減重。
“從飛機上減掉的每一磅將轉化成性能的提高”，Chandler說，“有OEM廠商曾經確定1磅的減重為他們平臺節省的價值相當于1百萬美元——這就是為什么減重是那么重要的原因。”
解決方案
QinetiQ的生命周期解決方案商業團隊在對舊型飛機的新部件設計時采用優化技術解決重量問題。通過以前由SMD（仿真數據管理）的合作與部門主任Mark Smith和主管Dr.Robert Vaughn建立的合作關系，從而與AED部門合作進行設計優化成為可能。利用HyperWorks，QinetiQ工程師可以通過仿真來建議需要采用優化的部件，實現減重。“我們給政府客戶展示哪些部件是可能實現減重的”，Chandler說，“然后規劃經理決定是否將該理念用于最后的設計流程。”
QinetiQ的成功在軍用Kiowa直升機的改進中得到了見證。Kiowa偵察直升機的機身結構是在60年代早期設計的，但該型直升機仍是軍用航空機隊的主要部分。“Kiowa直升機已經服役了幾十年了”，Chandler說，“我們的任務就是通過減重，讓它們看起來及用起來都跟新的一樣，從而在執行任務時更高效。”
面臨著嚴峻的減重問題，一個由武裝偵察直升機項目管理辦公室領導的集成產品團隊（IPT），確定了降低整機重量的幾十個減重方案并進行了優先級排隊，其中Kiowa的艙門減重就屬于高優先級。
該直升機有兩個大的為后座乘客/航電設備使用的艙門及兩個小的為機組成員使用的艙門。IPT考慮將艙門制造成復合材料作為一種潛在的減重措施，并向QinetiQ尋求他們的工程想法。
圖1 一種可能的武器掛架
圖2 Michael Chandler和OH-58艙門
QinetiQ結構團隊采用Altair HyperWorks中的OptiStruct優化工具通過復合材料優化的創新方式實現艙門減重。
“首先，我們建立一個艙門模型并配置成實體鋪層形式來初步了解OptiStruct能給我們帶來什么”，QinetiQ的主任工程師Jeff Finckenor說，“然后我們決定采用泡沫芯層處理艙門的設計。”
采用OptiStruct，設計團隊在艙門中心使用半英寸厚的泡沫，在外部邊緣保留了實體鋪層。4層復合材料用來覆蓋艙門的兩邊。
團隊進行了多次優化迭代并比較了各種各樣的構型，如實體艙門vs泡沫/薄板三明治式；玻璃纖維vs碳纖維（最終選擇）；蜂窩芯材vs結構泡沫（該泡沫較容易制造成形）。OptiStruct用來比較各種材料的效果，從而優化鋪層的厚度和疊層次序。
圖3 OptiStruct優化過程
結論
采用泡沫/鋪層設計和OptiStruct優化，QinetiQ成功將乘客艙門重量從原來鋁制艙門的9.26磅減至5.8磅。這樣，兩個乘客艙門、貨艙門及機組成員艙門的總減重達到12.7磅。
“這些數字固然重要，但真正的意義是能帶來操作性能的提升。”QinetiQ工程服務高級副總裁Neal Petree說，“重量的減輕表明飛機可以飛得更高、更遠或可以裝載更多的燃油或設備。這是真正意義上的節省，不僅僅是制造成本方面。重量的減輕可以讓飛機增加新的技術組件來滿足未來任務的需要。
除了OptiStruct，QinetiQ團隊還使用HyperMesh和HyperView進行機艙門的優化。該團隊還使用HyperWorks來優化通用導彈告警系統的分配器安裝和復合通用武器掛架。現在QinetiQ結構團隊還在考察其它幾個項目，決定是否在接下來的一年完成進一步減重的可行性。
“HyperWorks是幫助我們以前所未有的方式支持軍用航空制造的工具，”Finckenor說，“HyperWorks軟件促使我們的軍隊更現代，飛行器更安全。”
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