Ariane 6发射器的模拟与实验协同：双发射结构的全面验证策略

确保仿真模拟模型的可信度是所有工程领域的关注重点。在航空航天工程中，结构鉴定是确保关键部件能够承受最恶劣操作条件的关键步骤。这一过程对于确保任务期间系统的安全性和可靠性至关重要。本文重点介绍ArianeGroup开发的Ariane 6号运载火箭的双发射结构（DLS）的鉴定。该鉴定认证不仅旨在验证结构本身，还旨在确认所使用的数值模拟模型能够可靠地预测结构的行为，从而最大限度地减少对未来物理测试的依赖。

航空航天工业在很大程度上依赖于仿真模型来预测复杂系统在不同条件下的行为。精确的模型可以减少对大量物理测试的需求，节省时间和金钱。ArianeGroup开发的Ariane 6旨在满足竞争激烈的太空市场的需求，提供Ariane 62和64等配置，以适应不同的有效载荷。其设计的核心要素之一是双发射结构（DLS），它在发射过程中必然将承受巨大的应力。

Ariane 6号旨在为太空发射提供一种多功能、经济高效的解决方案。DLS在该系统中起着至关重要的作用，在整个发射过程中支撑有效载荷并确保结构完整性。因此，其鉴定认证是发射器开发的重要阶段。同时，DLS仿真模型的验证必须确认该模型能够可靠地预测结构在各种负载条件下的性能，从而最大限度地减少未来设计中进行大量物理测试的需要。

Ariane 6发射器上DLS结构的示意图

 

ArianeGroup提供了进行全面静态测试所需的专业技术和基础设施，这对于评估DLS对轴向、弯曲和横向载荷的响应至关重要。

DLS结构测试验证过程的描述

 

EikoSim和ArianeGroup之间的合作旨在为鉴定认证增加一个直接整合了实验和模拟方法的验证过程。EikoSim利用其在数字图像相关（DIC）方面的专业技术来测量仪器部件表面位移和变形，在合作中做出了突出的贡献。EikoSim带来的创新测量方法补充了传统的点测量技术，提供了更完整的结构响应视图。

基于测试金字塔方法的鉴定过程以失败时的1级测试结束，该测试结合了多种应力，并能够确定实际的阻力范围。首先，进行了基本加载。对于每种载荷（轴向、横向等），评估了DLS的刚度及其承受设计极限载荷的能力。

在数据收集过程中检测仪器的应用非常重要。大约200个应变计被放置在战略位置，以测量结构的变形水平。这些应变计DLS内部应变分布的点数据。此外，还使用了约30个位移传感器，提供了有关全局变形模式的信息。还使用了Rayleigh后向散射光纤传感器，以提供沿光纤变形的连续数据，提高了变形测量的分辨率和准确性。

最后，数字图像相关（DIC）在验证过程中起着至关重要的作用。在初步有限元分析识别的关键区域部署了三个DIC系统，并辅以标记跟踪测量。

补充测试结果：应变计测量（左）、数字图像相关测量（中）和光纤光学（右）。

 

EikoSim还开发了一个数据融合环境，以整合互补的测量数据。有限元预测和实验数据之间的比较显示了高度的相关性，偏差通常在可接受的范围内。

例如，关键区域的应变测量结果显示，与预测值的偏差小于20%，在此阶段，出于结构验证的目的，这是可以接受的。对这些偏差的分析表明，它们主要是由于模型的简化或测量设备的轻微不准确造成的。例如，标称（未注册）边界条件以及模型中假设的材料特性与实际特性之间的微小差异可以解释变形数据中观察到的一些差异。

有限元模型与实验结果之间的一致性增强了模拟的可信度，证实了其与未来预测分析的相关性。该验证也作为改进模型的基础，例如通过调整边界条件以更好地与观测数据对齐。

FEM/DIC比较的示意图：有限元模拟结果（左）、数字图像相关测量（中）和偏差映射（右）。

 

该项目诠释了“智能测试”的概念，其中仿真模拟和物理测试不仅是互补的，而且是相辅相成的。初步模拟指导了测试夹具的设计，确保对关键负载路径和潜在故障点进行了充分监测。根据有限元法的结果对物理测试夹具进行了优化，使其接近DLS的预期操作条件。DIC数据与传统测量技术的集成提供了DLS行为的全面视图，增强了对仿真模拟结果的信心。

未来，重点将放在完善有限元法验证过程上，包括开发更复杂的验证测量方法。这些措施将能够更精确地量化仿真模拟模型的可信度，并能识别出需要改进的具体领域。

此外，大家将努力实施自动化模型优化过程，该过程可以根据实验数据调整模型参数，进一步提高模型的准确性和可靠性。