Embraer如何利用仿真更快地让飞机翱翔蓝天

“让我们用人造闪电击中一架飞机，看看会发生什么。”

虽然这听起来像天方夜谭，但事实却恰恰相反。多年来，飞机制造商一直对其飞机原型进行与雷击等效的电气瞬态测试，只是为了观察电气设备会发生什么情况。

理想情况是，什么也不会发生。这就是飞机制造商想要的良好结果，因为飞机被雷电击中的频率比您想象的要高。据估计，美国商业机队中的每架飞机每年都会被雷电击中不止一次。由于该飞机设计精良，飞机内部数英里长的线缆中的高能量浪涌脉冲不会对其任何电子设备产生影响。线缆连接点处不会产生电流电弧从而引发火灾。飞机上没有人会因此受伤、死亡，甚至是不会受到惊吓。

然而，利用飞机原型样机来验证其抗雷电能力是一项成本高昂的工作，而且即使所有测试都能顺利进行，测试也需要数周时间才能完成。在机库中停放的原型样机，从机头到机尾都装满了电磁传感器，直到完成测试前，它就这样被有效地固定在原地。其它预定测试都需要等待雷电认证测试完成。如果认证测试发现问题——关键电子系统可能受损或机翼上的雷电可能会引发燃料箱爆炸，那么该公司可能需要对产品进行修正和重新设计，这样不仅可能会产生非常高昂的成本，而且还可能损失数周到数月的开发推进时间。

出于所有这些原因，巴西飞机制造商Embraer力图通过仿真进行尽可能多的雷电间接影响认证测试。通过使用Ansys EMC Plus（原“Ansys EMA3D Cable”），Embraer的产品开发工程师可以执行所有关键的计算机仿真测试，以及验证飞机通过雷电认证所必需的其它“假设”测试。如此一来，该公司就能够以低得多的成本、更快速地将飞机推向市场。 

在制造之前测试飞机

作为全球第三大商用喷气机制造商，Embraer在过去50年里生产了8,000多架飞机。以锐意创新和卓越工程而闻名业界的Embraer，采用仿真技术自然不足为奇。EMC Plus为Embraer工程师提供专用的平台级电磁线缆建模仿真工具，专门分析雷电感应电磁（EM）效应以及线缆EMI/EMC问题，以支持EMC认证。

Embraer产品开发工程师Rodrigo Freire表示：“我们使用Ansys EMC Plus来计算雷击期间线缆中的感应水平。为了获得交付新飞机的认证，我们需要证明在雷击期间，每个设备接口处出现的感应水平都在可接受的范围内。”

如果仿真的最终目标与物理测试的最终目标相匹配，那么我们就做对了。这两种方法都需要证明雷击不会导致飞机的电子设备或结构发生故障。不同之处在于，Embraer的团队甚至不需要实物飞机，就可以开始分析这些感应水平是否在可接受的范围内。

事实上，Embraer发现，如果在制造原型样机之前进行仿真，这对整个开发过程会更有利。这样的话，如果仿真发现了问题，飞机设计人员就可以在制造飞机以及相关修改变得更加复杂之前加以解决。

Embraer的另一位产品设计工程师José Mariano补充道：“在设计阶段后期，要想移动线缆线束或使用不同的组件极其困难。到那个时候，我们都不想面对这样的情况。” 

测试大型模型的挑战

仿真雷击及其影响的挑战在于，工程师最终需要查看整个飞机结构，而这并非是所有仿真工具都能轻松或可靠地实现的。雷电可能会击中飞机的末端，在几分之一秒内穿过两个击中点之间的所有线缆和导电材料。EMC Plus使Embraer能够处理所需的最小和最大模型。它使工程师能够从Zuken和Capital Harness等工具导入线缆和线束信息，并将该数据与来自Ansys Mechanical的机身和印刷电路板（PCB）的CAD图纸相集成。然后，工程师就可以进行各种仿真，包括雷击对特定接口或特定材料的影响，以及雷击对整个飞机的影响。

有些仿真只需几个小时即可完成；有些则需几天才能完成。事实上，由于能够在相对较短的时间内进行更多的测试，Embraer获得洞察信息的速度比只能进行物理测试时要快得多。 

Mariano指出：“我们可能只对一两个设计运行多次仿真，以了解设计调整对性能的影响。

如果Embraer完全依赖于物理测试来了解组件对雷电的响应，则很难以同样的方式探索此类设计优化，因为构建、测试、以及重新构建和测试物理模型需要耗费更多的时间和资金。仿真帮助Embraer在设计周期早期阶段进行此类比较测试，从而使工程师能够以更高的效率开展工作。

据估计，使用仿真来支持完整的EMC和EMI认证可以节省数百万美元的成本。 

物理测试助力验证仿真结果

在Embraer的雷电认证中，物理测试仍然发挥着作用，但其作用与以前大不相同。如今，较小规模的物理测试将作为参考，与仿真结果进行比较。Embraer现已能够证明其仿真结果与物理基线测试中获得的结果高度吻合，这让我们十分确信，其它仿真结果与所运行的物理测试结果也将吻合。

Freire表示：“在运行仿真时，我们必须做出一定数量的假设，但在进行物理测试时，我们也必须做出大量假设。测试结果并不总是与飞机遭遇特定雷击时的预期实际条件完全吻合，但随着时间的推移，我们已对预期结果有了充分的了解。我们的仿真采用同一标准化雷电特性，例如振幅和上升时间，这对于分析和准确预测其对电子设备的影响至关重要。

Freire补充道：“我们必须证明，当遭遇可能的极端自然天气情况时，飞机在极端的电磁条件下仍可安全运行。只要仿真能够像物理测试一样捕获雷电瞬态，并且设备显示其可以承受这些雷电等级，那么我们就能满足认证所需的标准。” 

最终，Embraer利用仿真来获得EMI和EMC认证，这证明了其一直想通过物理测试证明的结果，即他们制造的飞机安全可靠、设计精良，因此，货物和乘客也将安全无虞，并且确保飞机在遭遇雷击时也不会产生问题。但与此同时，Embraer使用EMC Plus还证明了另一点：仿真可以显著减少将新型高质量飞机推向市场所需的时间和成本，这一优势已引起全球飞机制造商的关注。