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航空航天工程师需要根据总重量和可制造性设计 （DFM） 来比较复合材料结构的潜在设计。有权衡。例如，面板间尺寸变化较多的复合材料结构重量更轻，但制造起来更困难，因此成本更高。相反，面板间尺寸变化较少的复合材料结构重量更大，但生产起来更容易且成本更低。

如今，计算机辅助工程 （CAE） 软件，例如高力航空航天公司的 HyperX®，可以优化材料系统和面板横截面尺寸的最轻重量组合。然而，航空航天工程师还需要一种以积极的安全边际查看所有可能的设计的方法，以及一个让他们能够有效地比较这些选项的界面。该公司的 HyperXpert® 工具就是为此目的而开发的。

传统的 CAE 应用程序不允许进行设计空间探索，因为它们仅提供单个数据点，无法进行稳健的设计比较。还有其他限制。例如，非航空航天专用的 CAE 软件可能无法生成应力报告以进行初步和关键设计审查。然而，工程师必须向监管机构提供机身认证的安全边际计算。

Collier Aerospace 的 HyperX® 和 HyperXpert®

总部位于弗吉尼亚州纽波特纽斯的 Collier Aerospace 正在解决这些挑战和许多其他挑战。其 HyperX® 软件使用有限元分析 （FEA） 结果来执行尺寸优化，进而确定材料和面板横截面尺寸的最轻重量组合，包括叠层角度和堆叠顺序。这使工程师能够快速分析设计备选方案并考虑权衡。

HyperX® 软件可优化复合材料结构设计，而无需工程师更换现有工具。该软件的数据库建立了数字线程，并与流行的 FEA 和计算机辅助设计 （CAD） 软件配合使用，例如 Nastran、Abaqus、Optistruct、HyperMesh、Catia、3DX 和 NX CAD。借助 HyperX 软件，工程师可以看到所有面板、荷载工况和故障标准的最轻量化设计，而无需重新提交 FEA。

HyperXpert 是一种扩展 HyperX 工作流程的工具，可以执行全因子实验设计 （DOE），并在重量与尺寸变化图中显示设计空间的最佳选项。与其他实验设计方法不同，全因子实验设计工具分析了变量的每种组合，并确定了每种变量的单独影响。这使工程师能够决定要链接哪些变量并确定变量如何相互影响。

由于 DOE 工具将数据组织在绘图中，因此工程师可以快速比较结果、查看趋势并选择最佳设计进行制造。通过在最早的概念设计阶段量化客观的可制造性考虑因素，用户还可以避免不必要的成本并加快项目进度。重要的是，他们可以通过查看所有选项来增加做出设计选择的信心。

这里有 2 个案例研究，解释了创新公司如何使用这些先进的软件解决方案来设计轻质且具有成本效益的复合材料结构。

Swift 工程和 X-59 鼻锥

位于加利福尼亚州圣克莱门特的 Swift Engineering 设计和制造高性能航空航天器。最近的项目包括 X-59 的加长鼻锥，这是洛克希德·马丁臭鼬工厂®的实验飞机，是美国国家航空航天局 （NASA） 安静超音速技术 （Quesst） 任务的一部分。Quesst 任务的目标是为陆地上商业超音速飞行建立可接受的噪音标准。

几十年来，监管机构一直禁止这些飞行，因为它们会产生音爆，这是一种与冲击波相关的声音，当物体以超过音速的速度在空气中传播时产生的冲击波。这些强烈的噪音可达约 194 分贝 （dB） 并损坏物理结构。飞机重量是音爆产生和强度的一个因素，但 X-59 的鼻锥还必须转移气流并提供受控的空气动力压力分布以减轻冲击波。

400 磅的初步设计指定了石墨/环氧树脂复合材料和蜂窝芯夹层结构。Swift Engineering 使用 HyperX® 软件去除了不必要的桩，同时优化了应力和稳定性的设计。最终，该公司将鼻锥的重量减轻了 25% 以上，达到 300 磅。凭借其独特的几何形状，X-59 有望产生几乎听不见的重击声，而不是音爆，而细长的鼻锥设计是解决方案的重要组成部分。

除了设计和建造这种复合结构外，Swift Engineering 还负责进行结构分析和认证测试。该公司还负责评估各种荷载工况，并为零件释放和制造提供详细的应力报告。通过利用 Collier Aerospace 软件的全部功能，Swift Engineering 完成了项目要求，并在预算范围内提前交付了 X-59 的鼻锥。

Radia 和 WindRunner™ 货机

Radia 是一家位于科罗拉多州博尔德的航空航天制造公司，正在制造世界上最大的飞机 WindRunner™，向陆上风电场运送叶片长度达 100 m（330 英尺）的风力涡轮机，避免地面运输的限制。为了开发这种独特的空中运输解决方案，Radia 在早期阶段就以软件提供商和工程顾问的身份向 Collier Aerospace 寻求帮助。

Radia 使用 Collier Aerospace 的结构尺寸和分析方法，并对机翼、机身、肋骨、翼梁、纵梁和许多其他部件进行了配置评估，这些部件将由复合材料和金属制成。这家航空航天公司还利用 HyperX® 软件中的自动尺寸调整功能来考虑不寻常的变量，例如未加压机身的巨大尺寸和容量。这使 Radia 能够迅速取得重大进展。

在加快工程周期并缩短美国联邦航空管理局 （FAA） 和欧盟航空安全局 （EASA） 的认证流程的同时，Radia 还降低了复合材料结构的重量和成本。该公司还计划使用高力航空航天公司的软件来验证供应商所做的工作，这些供应商将在详细设计阶段处理结构尺寸。

新的高度和正确的工具

与 Swift Engineering 一样，Radia 正在通过正确的工具达到新的高度。Collier Aerospace 的 HyperX® 软件可识别最轻的材料和面板配置，包括层角和堆叠顺序，以便航空航天工程师能够有效地评估设计权衡。HyperXpert® 通过评估所有变量组合来增强设计过程，使工程师能够了解和可视化每个因素对复合材料结构设计的影响。

通过支持更快、更明智的决策，这些软件解决方案还促进了法规遵从性和可制造性设计 （DFM）。随着 Swift Engineering 和 Radia 等公司使用 Collier Aerospace 的软件来优化他们的设计，而无需更换现有工具，也无需重新提交 FEA，航空航天工程师可以更高效地设计更轻、更便宜的复合材料结构。

封面照片：X-59 半空中（来源：Collier Aerospace）