1、ZAERO軟件及生產(chǎn)商概況

美國ZONA Technology, Inc.成立于1985年，是一家提供航空航天專業(yè)商用軟件的公司。ZONA專注于氣動彈性仿真領(lǐng)域，具備的專業(yè)技術(shù)水平和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)過三十余年的研究開發(fā)和工程實(shí)踐，ZONA已經(jīng)成為世界上的飛行器氣動彈性工具供應(yīng)商，其旗艦產(chǎn)品ZAERO是同類產(chǎn)品中的飛行器氣動彈性分析軟件。世界各國的主要飛機(jī)制造商和研究機(jī)構(gòu)均使用ZAERO產(chǎn)品進(jìn)行氣動彈性設(shè)計(jì)和分析工作。在國內(nèi)，601、603和611研究所等單位均使用ZAERO軟件作為氣動彈性設(shè)計(jì)和分析工具。

2、ZAERO軟件系統(tǒng)架構(gòu)

ZAERO軟件系統(tǒng)的主要功能特性包括：

a.高保真幾何建模（HFG）模塊用于對包括外掛物在內(nèi)的整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模1

b.覆蓋亞/跨/超/高超音速的全速域分析求解能力2

c.統(tǒng)一氣動影響參數(shù)（UAIC）矩陣算法飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析3

d.使用真實(shí)阻尼的K/g方法解決匹配或非匹配點(diǎn)顫振問題4

e.內(nèi)置顫振模式跟蹤程序，具有結(jié)構(gòu)參數(shù)靈敏度分析功能5

f.用于單輸入單輸出（SISO）和多輸入多輸出（MIMO）控制系統(tǒng)的連續(xù)陣風(fēng)狀態(tài)空間ASE穩(wěn)定性分析6

g.用于靜態(tài)氣動彈性和飛行載荷的配平分析7

h.包括瞬態(tài)機(jī)動載荷（MLOADS）、彈射載荷（ELOADS）和離散突風(fēng)載荷（GLOADS）的動態(tài)荷載分析8910

i.3D插值模塊提供精確的有限元和空氣動力學(xué)模型所需的位移和力轉(zhuǎn)換11

j.模態(tài)數(shù)據(jù)導(dǎo)入接口用于處理來自NASTRAN、I-DEAS、ELFINI、ANSYS等第三方軟件的模態(tài)輸出數(shù)據(jù)12

k.動態(tài)內(nèi)存和數(shù)據(jù)庫管理（ZDM）系統(tǒng)用于建立子程序模塊化13

l.開放的架構(gòu)允許用戶直接訪問數(shù)據(jù)實(shí)體14

m.批量數(shù)據(jù)輸入功能可以減少用戶學(xué)習(xí)曲線，同時減輕用戶輸入負(fù)擔(dān)15

n.提供對空氣動力學(xué)模型、非定常壓力（Cp）、顫振模式和顫振曲線的圖形顯示功能，可以與PATRAN、FEMAP、TECPLOT、ANSYS、EXCEL等第三方軟件配合使用16

o.軟件運(yùn)行控制允許批量顫振、ASE、配平、動態(tài)載荷輸入和求解結(jié)果輸出17

p.使用離散時域狀態(tài)空間法（NLFLTR）的非線性顫振分析，用于結(jié)構(gòu)化非線性的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)18

q.NASLINK模塊用于向MSC.NASTRAN輸出ZAERO的空氣動力學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)19

圖1 ZAERO軟件功能架構(gòu)圖

3、ZAERO軟件模塊功能介紹

3.1 UAIC：統(tǒng)一氣動影響系數(shù)模塊

模塊功能：

UAIC模塊的功能是提供亞音速和超音速氣動彈性分析所需的AIC矩陣。 此外，AIC修正方法（ZTAW）模塊可用于使用下洗加權(quán)矩陣法或力校正矩陣法修正AIC矩陣。

ZAERO提供以下兩種非定常空氣動力學(xué)計(jì)算方法：

a. ZONA6：為具有外掛物、吊艙的機(jī)翼、整機(jī)布局配置生成定?；蚍嵌ǔ５膩喴羲倏諝鈩恿W(xué)參數(shù)，包括尾流效應(yīng)。

b. ZONA7：為具有外掛物、吊艙的機(jī)翼、整機(jī)布局配置生成定?；蚍嵌ǔ５某羲倏諝鈩恿W(xué)參數(shù)。

3.2 ZONA6：亞音速非定常氣動力學(xué)計(jì)算模塊

模塊功能：

a.為具有外掛物、吊艙的機(jī)翼、整機(jī)布局配置生成定?；蚍嵌ǔ５膩喴羲倏諝鈩恿W(xué)參數(shù)，包括尾流效應(yīng)。

主要特性：

a.任何平面或非平面升力外形與任意機(jī)身形狀的組合，包括機(jī)身+副油箱+等組合。

b.比Doublet Lattice方法（DLM）更高階的面元法計(jì)算公式，用于升力外形計(jì)算。下面的個算例顯示出ZONA6超越DLM的魯棒性。

c.高階面元法允許對復(fù)雜飛行器外形進(jìn)行高保真建模，包括任意的外掛物、布局。下面的第二個案例顯示出方案的改進(jìn)。

圖2 70°三角翼，非定常壓力計(jì)算結(jié)果

（M=0.8, k=0.5, h_o=0.35c_r）

圖3 帶有副油箱和掛架的NLR機(jī)翼，郵箱上非定常壓力計(jì)算結(jié)果

（M=0.45, k=0.3055, q=157.5°, x_o=0.15c_r）

3.3 ZONA7：超音速非定常氣動力學(xué)計(jì)算模塊

模塊功能：

a. 為具有外掛物、吊艙的機(jī)翼、整機(jī)布局配置生成定?；蚍嵌ǔ５某羲倏諝鈩恿W(xué)參數(shù)。

主要特性：

a. 任何平面或非平面升力外形與任意機(jī)身形狀的組合，包括機(jī)身+副油箱+等組合。

b. 與ZONA51*一致的面元法計(jì)算公式，ZONA51是目前超音速顫振分析的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法

c. 高階面元法允許對復(fù)雜飛行器外形進(jìn)行高保真建模，包括任意的外掛物、布局。

圖4 NACA翼身組合體，力矩計(jì)算結(jié)果

（x_o=0.35c_r）

圖5 掛載有的NLR機(jī)翼，側(cè)向壓力和力矩計(jì)算結(jié)果

（F=20Hz, k=0.1, x_o=0.5c_r）

3.4 ZTAW：AIC修正方法

模塊功能：

a. 生成AIC校正矩陣以匹配給定的力、力矩或非定常壓力。

主要特性：

a. AIC校正模塊采用*的連續(xù)內(nèi)核擴(kuò)展過程的ZTAW方法來計(jì)算AIC加權(quán)矩陣。

b. ZTAW方法是由前人設(shè)計(jì)的AIC修正方法改進(jìn)而來，例如Giesing等人的力、矩校正方法和Pitt和Goodman的下洗量加權(quán)矩陣（DWM）方法。使用通過風(fēng)洞測量或CFD仿真獲得的同相壓力，ZTAW產(chǎn)生精確的異相壓力和較高的頻率壓力數(shù)值，并計(jì)算出相關(guān)的氣動彈性解，而先前的方法會在計(jì)算異相壓力的時候產(chǎn)生錯誤的階躍結(jié)果。

c. ZTAW中并入了四種方法：定常下洗加權(quán)矩陣法、非定常下洗加權(quán)矩陣法，定常力校正矩陣法和非定常力校正矩陣法。

圖6 非定常壓力計(jì)算驗(yàn)證

圖7 顫振計(jì)算驗(yàn)證

3.5 高保真幾何建模（HFG）模塊

模塊功能：

HFG模塊能夠?qū)θ魏伟ㄍ鈷煳锖?或吊艙的整機(jī)布局進(jìn)行建模。復(fù)雜的飛行器布局可以由HFG模塊通過翼狀體和機(jī)身裝體的組合定義來表示。翼身相對厚度效應(yīng)和發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口以及噴嘴效應(yīng)都可以包含在邊界條件中。

圖 8 ZAERO中的F-15建模，由4258個面元組成

3.6 3D插值模塊

模塊功能：

3D插值模塊建立了結(jié)構(gòu)有限元法（FEM）模型和ZAERO空氣動力學(xué)模型之間的位移和力的映射傳遞。它使用四種插值方法來共同組成樣條插值矩的：（a）薄板插值法；（b）無限板插值法；（c）梁插值法；（d）剛體附件插值法。樣條插值矩陣在所有空氣動力學(xué)網(wǎng)格中提供三維的x，y和z位移和斜率數(shù)值。

圖9 插值對比，依次為剛體、一階彎曲和一階扭轉(zhuǎn)

3.7 批量數(shù)據(jù)輸入模塊

模塊功能：

ZAERO使用與NASTRAN和ASTROS類似的批量數(shù)據(jù)輸入格式。 這種類型的輸入格式具有以下優(yōu)點(diǎn)：（a）最小化用戶學(xué)習(xí)曲線；（b）減輕用戶輸入負(fù)擔(dān)；（c）自動錯誤檢測。這種類型的輸入格式的示例如下表所示。

表1 ZAERO批量數(shù)據(jù)輸入格式示例

3.8 圖形顯示模塊

模塊功能：

ZAERO的圖形交互界面支持多種商業(yè)化圖形工具?？梢酝ㄟ^PATRAN、FEMAP、IDEAS、PEGASUS、TECPLOT來顯示包含空氣動力學(xué)模型、非定常壓力（CP），內(nèi)插結(jié)構(gòu)模式和顫振模式等輸出文件中的圖形數(shù)據(jù)。 可以通過典型的X-Y繪圖工具（例如Excel）顯示V-g和V-f圖。

圖10 圖形顯示模塊示例

3.9 顫振模塊

模塊功能：

a.ZAERO顫振模塊包含兩種顫振求解技術(shù)：K方法和g方法。g方法是ZONA開發(fā)的顫振算法，其推廣了K方法和P-K方法用于真實(shí)阻尼預(yù)測。研究表明，P-K方法僅在零阻尼、零頻率或線性變化廣義氣動力（Q）處于低頻的條件下有小。實(shí)際上，如果Q高度非線性，則表明P-K方法由于方程的不一致性會導(dǎo)致非實(shí)數(shù)根的解出現(xiàn)。

b.顫振模塊具有內(nèi)置的大氣表作為執(zhí)行匹配點(diǎn)顫振分析的可選項(xiàng)。結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感性分析也包括在g方法中。

圖11 三自由度翼型顫振算例（MSC.NASTRAN HA145標(biāo)準(zhǔn)算例）

3.10 參數(shù)顫振分析模塊

模塊功能：

通過執(zhí)行大量不同質(zhì)量和剛度分布的顫振分析及ASE分析來實(shí)現(xiàn)參數(shù)化顫振分析。

功能特性：

a. 使用質(zhì)量增量法執(zhí)行大量具有各種質(zhì)量和剛度的開、閉環(huán)系統(tǒng)的大量顫振分析。

b. 通過自動搜索用戶的阻尼水平與速度-阻尼曲線的交點(diǎn)，對大量顫振分析結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘。

c. 使用諸如TECPLOT之類的圖形工具輕松進(jìn)行后期處理。下圖中所示的是顫振速度與外掛物質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量之間的關(guān)系。

d. 對顫振不穩(wěn)定的嚴(yán)重性做出標(biāo)志。

圖12 顫振速度與質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量的關(guān)系

3.11 靜態(tài)氣動彈性分析和配平模塊

模塊功能：

執(zhí)行靜態(tài)氣動彈性和配平分析，以求解配平系統(tǒng)和計(jì)算飛行載荷。

圖13 分析案例（F18 4G拉起機(jī)動，M=1.2，高度10000英尺）

3.12 氣彈伺服系統(tǒng)（ASE）分析模塊

模塊功能：

構(gòu)建開環(huán)或閉環(huán)氣動彈性系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程，并進(jìn)行穩(wěn)定性分析

功能特性：

a. 非定常氣動參數(shù)矩陣的有理函數(shù)擬合

b.狀態(tài)空間MIMO公式

c.的線性控制建模架構(gòu)

d.開環(huán)和閉環(huán)顫振分析

e.開環(huán)和閉環(huán)增益及相位裕量

f.輸入和輸出奇異值

g.連續(xù)陣風(fēng)動力學(xué)

h.陣風(fēng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

i.固定模式參數(shù)研究

j.關(guān)于結(jié)構(gòu)和控制的顫振和控制邊界的靈敏度分析

k.不使用有理函數(shù)擬合的頻域穩(wěn)定性分析

3.13 非定常空氣動力學(xué)有理函數(shù)擬合模塊

模塊功能：

非定常頻域氣動力系數(shù)矩陣由拉普拉斯域中的有理矩陣函數(shù)近似給出。

3.14 瞬態(tài)載荷分析模塊

模塊功能：

a.瞬態(tài)機(jī)動載荷分析使用飛行員輸入指令執(zhí)行。

圖14 導(dǎo)入飛行員指令的瞬態(tài)機(jī)動分析

b.瞬態(tài)拋射載荷分析使用外掛物分離過程執(zhí)行。

圖15 外掛物分離分析，與Flight Test結(jié)果對比

c.突風(fēng)載荷分析通過對開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的瞬態(tài)離散和連續(xù)突風(fēng)載荷分析執(zhí)行。

圖16 使用2D經(jīng)典理論的離散突風(fēng)分析

（在NASTRAN計(jì)算失敗的算例中獲得了的計(jì)算效果）

3.15 非線性顫振模塊

模塊功能：

非線性顫振模塊是開環(huán)、閉環(huán)氣動彈性系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的模擬工具，包括（1）非線性結(jié)構(gòu)（2）非線性控制系統(tǒng)（3）大幅度非定?？諝鈩恿W(xué)（從第三方CFD工具導(dǎo)入）。

圖17 非線性顫振模擬結(jié)果，與試驗(yàn)結(jié)果高度符合

4、ZAERO軟件運(yùn)行環(huán)境

4.1 硬件及系統(tǒng)環(huán)境

ZAERO軟件為網(wǎng)絡(luò)浮動License使用。

推薦硬件配置：

a. 存儲：硬盤>1T，內(nèi)存>32G

b. CPU：x86

操作系統(tǒng)要求：

Windows7、Windows XP、Windows Server 2008、Linux Redhat 6.4

4.2 軟件模塊配置

ZAERO軟件推薦模塊配置如下：

表2 ZAERO軟件推薦模塊配置：

5、售后技術(shù)服務(wù)

5.1 技術(shù)培訓(xùn)

乙方提供軟件使用、維護(hù)等方面的詳細(xì)培訓(xùn)計(jì)劃，并在的地點(diǎn)進(jìn)行集中培訓(xùn)。除了集中培訓(xùn)外，還須對甲方的最終用戶人員進(jìn)行必要的現(xiàn)場培訓(xùn)。技術(shù)人員經(jīng)培訓(xùn)后應(yīng)能熟練使用軟件。

培訓(xùn)內(nèi)容主要為通用功能使用培訓(xùn)以及必要二次開發(fā)功能培訓(xùn)，培訓(xùn)時間為20天。培訓(xùn)地點(diǎn)為甲方地，培訓(xùn)人數(shù)不限。

乙方應(yīng)在甲方提出培訓(xùn)要求的兩周內(nèi)向甲方提交完整的培訓(xùn)計(jì)劃，由甲方進(jìn)行確認(rèn)。培訓(xùn)時間由雙方共同協(xié)商確定。培訓(xùn)所需的軟件及臨時使用由乙方負(fù)責(zé)提供。

乙方在甲方地點(diǎn)進(jìn)行軟件安裝，軟件安裝結(jié)束后10個工作日內(nèi)提供軟件測試大綱，由甲方進(jìn)行確認(rèn)。

5.2 質(zhì)量及服務(wù)保證

乙方提供的軟件內(nèi)置功能符合國家保密法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

乙方向甲方提供正版產(chǎn)品且是的、符合本技術(shù)條件規(guī)定的軟件系統(tǒng)功能要求（以終驗(yàn)收時間為準(zhǔn)）的軟件產(chǎn)品。

自最終驗(yàn)收合格簽字之日起12個月為質(zhì)保期，在此期間為免費(fèi)技術(shù)服務(wù)期。且一年內(nèi)免費(fèi)升級。在技術(shù)服務(wù)期內(nèi)做到4小時響應(yīng)，12小時到現(xiàn)場（或24小時解決問題）。

當(dāng)軟件功能出現(xiàn)不能接受的錯誤，且無法使用其它方法消除錯誤，乙方保證盡快修改軟件，并免費(fèi)提供功能更正版本，且保持當(dāng)前正式版本的全部功能。

免費(fèi)服務(wù)期滿后，如軟件發(fā)生故障，乙方在不收取維修費(fèi)、路費(fèi)情況下，繼續(xù)向甲方提供系統(tǒng)維護(hù)、技術(shù)支持服務(wù)。

5.3 軟件驗(yàn)收

甲方組織使用單位及相關(guān)主管部門在試用驗(yàn)證合格后，依據(jù)技術(shù)協(xié)議進(jìn)行項(xiàng)目驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后，驗(yàn)收小組簽署項(xiàng)目驗(yàn)收意見，并以此作為驗(yàn)收通過依據(jù)。

乙方按甲方要求提供以下資料文件：

表3 軟件驗(yàn)收資料文檔列表