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1、ZAERO软件及生产商概况

美国ZONA Technology, Inc.成立于1985年，是一家提供航空航天专业商用软件的公司。ZONA专注于气动弹性仿真领域，具备卓越的专业技术水平和行业经验。经过三十余年的研究开发和工程实践，ZONA已经成为世界上名列前茅的飞行器气动弹性工具供应商，其旗舰产品ZAERO是同类产品中首屈一指的飞行器气动弹性分析软件。世界各国的主要飞机制造商和研究机构均使用ZAERO产品进行气动弹性设计和分析工作。在国内，601、603和611研究所等单位均使用ZAERO软件作为气动弹性设计和分析工具。

2、ZAERO软件系统架构

ZAERO软件系统的主要功能特性包括：

a.高保真几何建模（HFG）模块用于对包括外挂物在内的整机结构进行建模1

b.覆盖亚/跨/超/高超音速的全速域分析求解能力2

c.统一气动影响参数（UAIC）矩阵算法飞行器结构设计和分析3

d.使用真实阻尼的K/g方法解决匹配或非匹配点颤振问题4

e.内置颤振模式跟踪程序，具有结构参数灵敏度分析功能5

f.用于单输入单输出（SISO）和多输入多输出（MIMO）控制系统的连续阵风状态空间ASE稳定性分析6

g.用于静态气动弹性和飞行载荷的配平分析7

h.包括瞬态机动载荷（MLOADS）、弹射载荷（ELOADS）和离散突风载荷（GLOADS）的动态荷载分析8910

i.3D插值模块提供精确的有限元和空气动力学模型所需的位移和力转换11

j.模态数据导入接口用于处理来自NASTRAN、I-DEAS、ELFINI、ANSYS等第三方软件的模态输出数据12

k.动态内存和数据库管理（ZDM）系统用于建立子程序模块化13

l.开放的架构允许用户直接访问数据实体14

m.批量数据输入功能可以减少用户学习曲线，同时减轻用户输入负担15

n.提供对空气动力学模型、非定常压力（Cp）、颤振模式和颤振曲线的图形显示功能，可以与PATRAN、FEMAP、TECPLOT、ANSYS、EXCEL等第三方软件配合使用16

o.软件运行控制允许批量颤振、ASE、配平、动态载荷输入和求解结果输出17

p.使用离散时域状态空间法（NLFLTR）的非线性颤振分析，用于结构化非线性的开环和闭环系统18

q.NASLINK模块用于向MSC.NASTRAN输出ZAERO的空气动力学计算数据19

图1 ZAERO软件功能架构图

3、ZAERO软件模块功能介绍

3.1 UAIC：统一气动影响系数模块

模块功能：

UAIC模块的功能是提供亚音速和超音速气动弹性分析所需的AIC矩阵。 此外，AIC修正方法（ZTAW）模块可用于使用下洗加权矩阵法或力校正矩阵法修正AIC矩阵。

ZAERO提供以下两种非定常空气动力学计算方法：

a. ZONA6：为具有外挂物、吊舱的机翼、整机布局配置生成定常或非定常的亚音速空气动力学参数，包括尾流效应。

b. ZONA7：为具有外挂物、吊舱的机翼、整机布局配置生成定常或非定常的超音速空气动力学参数。

3.2 ZONA6：亚音速非定常气动力学计算模块

模块功能：

a.为具有外挂物、吊舱的机翼、整机布局配置生成定常或非定常的亚音速空气动力学参数，包括尾流效应。

主要特性：

a.任何平面或非平面升力外形与任意机身形状的组合，包括机身+副油箱+武器等组合。

b.比Doublet Lattice方法（DLM）更高阶的面元法计算公式，用于升力外形计算。下面的第一个算例显示出ZONA6超越DLM的鲁棒性。

c.高阶面元法允许对复杂飞行器外形进行高保真建模，包括任意的外挂物、武器布局。下面的第二个案例显示出方案的改进。

图2 70°三角翼，非定常压力计算结果

（M=0.8, k=0.5, h_o=0.35c_r）

图3 带有副油箱和挂架的NLR机翼，邮箱上非定常压力计算结果

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

3.3 ZONA7：超音速非定常气动力学计算模块

模块功能：

a. 为具有外挂物、吊舱的机翼、整机布局配置生成定常或非定常的超音速空气动力学参数。

主要特性：

a. 任何平面或非平面升力外形与任意机身形状的组合，包括机身+副油箱+武器等组合。

b. 与ZONA51完全一致的面元法计算公式，ZONA51是目前超音速颤振分析的行业标准方法

c. 高阶面元法允许对复杂飞行器外形进行高保真建模，包括任意的外挂物、武器布局。

图4 NACA翼身组合体，力矩计算结果

（x_o=0.35c_r）

图5 挂载有武器的NLR机翼，侧向压力和力矩计算结果

（F=20Hz, k=0.1, x_o=0.5c_r）

3.4 ZTAW：AIC修正方法

模块功能：

a. 生成AIC校正矩阵以匹配给定的力、力矩或非定常压力。

主要特性：

a. AIC校正模块采用特有的连续内核扩展过程的ZTAW方法来计算AIC加权矩阵。

b. ZTAW方法是由前人设计的AIC修正方法改进而来，例如Giesing等人的力、矩校正方法和Pitt和Goodman的下洗量加权矩阵（DWM）方法。使用通过风洞测量或CFD仿真获得的同相压力，ZTAW产生精确的异相压力和较高的频率压力数值，并计算出相关的气动弹性解，而先前的方法会在计算异相压力的时候产生错误的阶跃结果。

c. ZTAW中并入了四种方法：定常下洗加权矩阵法、非定常下洗加权矩阵法，定常力校正矩阵法和非定常力校正矩阵法。

图6 非定常压力计算验证

图7 颤振计算验证

3.5 高保真几何建模（HFG）模块

模块功能：

HFG模块能够对任何包括外挂物和/或吊舱的整机布局进行建模。复杂的飞行器布局可以由HFG模块通过翼状体和机身装体的组合定义来表示。翼身相对厚度效应和发动机进气口以及喷嘴效应都可以包含在边界条件中。

图 8 ZAERO中的F-15建模，由4258个面元组成

3.6 3D插值模块

模块功能：

3D插值模块建立了结构有限元法（FEM）模型和ZAERO空气动力学模型之间的位移和力的映射传递。它使用四种插值方法来共同组成样条插值矩的：（a）薄板插值法；（b）无限板插值法；（c）梁插值法；（d）刚体附件插值法。样条插值矩阵在所有空气动力学网格中提供三维的x，y和z位移和斜率数值。

图9 插值对比，依次为刚体、一阶弯曲和一阶扭转

3.7 批量数据输入模块

模块功能：

ZAERO使用与NASTRAN和ASTROS类似的批量数据输入格式。 这种类型的输入格式具有以下优点：（a）最小化用户学习曲线；（b）减轻用户输入负担；（c）自动错误检测。这种类型的输入格式的示例如下表所示。

表1 ZAERO批量数据输入格式示例

3.8 图形显示模块

模块功能：

ZAERO的图形交互界面支持多种商业化图形工具。可以通过PATRAN、FEMAP、IDEAS、PEGASUS、TECPLOT来显示包含空气动力学模型、非定常压力（CP），内插结构模式和颤振模式等输出文件中的图形数据。 可以通过典型的X-Y绘图工具（例如Excel）显示V-g和V-f图。

图10 图形显示模块示例

3.9 颤振模块

模块功能：

a.ZAERO颤振模块包含两种颤振求解技术：K方法和g方法。g方法是ZONA最新开发的颤振算法，其推广了K方法和P-K方法用于真实阻尼预测。研究表明，P-K方法仅在零阻尼、零频率或线性变化广义气动力（Q）处于低频的条件下有小。实际上，如果Q高度非线性，则表明P-K方法由于方程的不一致性会导致非实数根的解出现。

b.颤振模块具有内置的大气表作为执行匹配点颤振分析的可选项。结构参数的敏感性分析也包括在g方法中。

图11 三自由度翼型颤振算例（MSC.NASTRAN HA145标准算例）

3.10 参数颤振分析模块

模块功能：

通过执行大量不同质量和刚度分布的颤振分析及ASE分析来实现参数化颤振分析。

功能特性：

a. 使用质量增量法执行大量具有各种质量和刚度的开、闭环系统的大量颤振分析。

b. 通过自动搜索用户指定的阻尼水平与速度-阻尼曲线的交点，对大量颤振分析结果进行数据挖掘。

c. 使用诸如TECPLOT之类的图形工具轻松进行后期处理。下图中所示的是颤振速度与外挂物质量和转动惯量之间的关系。

d. 对颤振不稳定的严重性做出标志。

图12 颤振速度与质量和转动惯量的关系

3.11 静态气动弹性分析和配平模块

模块功能：

执行静态气动弹性和配平分析，以求解配平系统和计算飞行载荷。

图13 分析案例（F18 4G拉起机动，M=1.2，高度10000英尺）

3.12 气弹伺服系统（ASE）分析模块

模块功能：

构建开环或闭环气动弹性系统的状态空间方程，并进行稳定性分析

功能特性：

a. 非定常气动参数矩阵的有理函数拟合

b.状态空间MIMO公式

c.最通用的线性控制建模架构

d.开环和闭环颤振分析

e.开环和闭环增益及相位裕量

f.输入和输出奇异值

g.连续阵风动力学

h.阵风结构响应的统计学分析

i.固定模式参数研究

j.关于结构和控制的颤振和控制边界的灵敏度分析

k.不使用有理函数拟合的频域稳定性分析

3.13 非定常空气动力学有理函数拟合模块

模块功能：

非定常频域气动力系数矩阵由拉普拉斯域中的有理矩阵函数近似给出。

3.14 瞬态载荷分析模块

模块功能：

a.瞬态机动载荷分析使用飞行员输入指令执行。

图14 导入飞行员指令的瞬态机动分析

b.瞬态抛射载荷分析使用外挂物分离过程执行。

图15 外挂物分离分析，与Flight Test结果对比

c.突风载荷分析通过对开环和闭环系统的瞬态离散和连续突风载荷分析执行。

图16 使用2D经典理论的离散突风分析

（在NASTRAN计算失败的算例中获得了极好的计算效果）

3.15 非线性颤振模块

模块功能：

非线性颤振模块是开环、闭环气动弹性系统瞬态响应的模拟工具，包括（1）非线性结构（2）非线性控制系统（3）大幅度非定常空气动力学（从第三方CFD工具导入）。

图17 非线性颤振模拟结果，与试验结果高度符合

4、ZAERO软件运行环境

4.1 硬件及系统环境

ZAERO软件为网络浮动永久License授权使用。

推荐硬件配置：

a. 存储：硬盘>1T，内存>32G

b. CPU：x86

操作系统要求：

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

4.2 软件模块配置

ZAERO软件推荐模块配置如下：

表2 ZAERO软件推荐模块配置：

5、售后技术服务

5.1 技术培训

乙方提供软件使用、维护等方面的详细培训计划，并在指定的地点进行集中培训。除了集中培训外，还须对甲方指定的最终用户人员进行必要的现场培训。技术人员经培训后应能熟练使用软件。

培训内容主要为通用功能使用培训以及必要二次开发功能培训，培训时间为20天。培训地点为甲方指定地，培训人数不限。

乙方应在甲方提出培训要求的两周内向甲方提交完整的培训计划，由甲方进行确认。培训时间由双方共同协商确定。培训所需的软件及临时使用授权由乙方负责提供。

乙方在甲方指定地点进行软件安装，软件安装结束后10个工作日内提供软件测试大纲，由甲方进行确认。

5.2 质量及服务保证

乙方提供的软件内置功能符合国家保密法律法规和标准规定。

乙方向甲方提供正版产品且是最新的、符合本技术条件规定的软件系统功能要求（以终验收时间为准）的软件产品。

自最终验收合格签字之日起12个月为质保期，在此期间为免费技术服务期。且一年内免费升级。在技术服务期内做到4小时响应，12小时到现场（或24小时解决问题）。

当软件功能出现不能接受的错误，且无法使用其它方法消除错误，乙方保证尽快修改软件，并免费提供功能更正版本，且保持当前正式版本的全部功能。

免费服务期满后，如软件发生故障，乙方在不收取维修费、路费情况下，继续向甲方提供系统维护、技术支持服务。

5.3 软件验收

甲方组织使用单位及相关主管部门在试用验证合格后，依据技术协议进行项目验收，验收合格后，验收小组签署项目验收意见，并以此作为验收通过依据。

乙方按甲方要求提供以下资料文件：

表3 软件验收资料文档列表