可持续发展 | 利用Ansys材料信息管理方案设计概念飞机

本文原刊登于Ansys Blog：《Ansys and ATI FlyZero use Digital Engineering to Design Concept Aircraft》

作者：Donna Dykeman | Ansys研发经理

编辑整理：叶一帆 | Ansys高级应用工程师

所有主要汽车原始设备制造商（OEM）已经宣布，他们将在几年内实现全电动，于是，人们将焦点转向了航空业，希望在该领域大幅减少碳排放。虽然航空业的低碳化难度要大得多，但许多航空业领导者承诺要在2050年前实现净零碳排放目标¹，因此航空业的OEM厂商正在努力采用新的计划和技术，以安全实现这些目标。

通过开展数字化转型，并将仿真集成到工作流程中，工程师可以设计更清洁、更快速、更智能的系统，从而减少碳排放、材料使用和噪声污染。数字工程使工程师能够将可持续性最佳实践纳入生命周期的所有阶段，包括概念设计阶段。

为了支持商用航空业实现减排目标²，航空航天技术研究所（ATI）FlyZero采用Ansys解决方案开发了三种零碳排放飞行的飞机概念，预计将在2030年投入使用。

ATI FlyZero希望将三种基准飞机与三种概念飞机的可持续性影响进行比较（图1）。基准飞机是碳氢燃料煤油飞机，预计将在2030年投入使用；概念飞机探索新的推进技术，例如氢燃烧和带有电动动力系统的氢燃料电池。

1. FlyZero中型机采用氢燃烧技术，而基准中型机是类似空客A330-200的飞机，预计将在2030年得到改进。

2. FlyZero窄体机使用氢燃烧推进技术，同时将机载动力系统改为燃料电池技术，而基准窄体机是类似空客A320-300的飞机，预计将在2030年得到改进。

3. FlyZero支线机将氢燃料电池用于推进和动力系统，而基准支线机是类似ATR42的飞机，预计将在2030年得到改进。

飞机分为五个主要设计模块：

1. 机身

2. 推进系统

3. 电气系统

4. 动力系统

5. 机舱

图表1：按模块划分材料、制造、维护和维修的能源使用情况。

FlyZero使用Ansys Granta MI和Ansys Granta Selector中的材料数据库来建立材料和制造流程的参考数据。这将比较技术、成本和可持续性信息（由简化的生命周期分析（LCA）工具和方法（Granta中的Eco Audit）提供支持），以及用于筛选受限物质和社会影响的工具。Ansys软件套件可解决技术和可持续性信息的材料信息管理问题，并集成到工程设计流程中：

1. 使用Granta MI协调物料清单（BoM）

2. 从MaterialUniverse分配参考数据

3. 筛选受限物质

4. 计算BoM中每种材料的环境影响

5. 筛选社会影响

6. 筛选整个产品生命周期中的环境热点

7. 根据技术设计决策替代材料和制造选择，以提高产品的可持续性（例如风险、环境、社会影响）

8. 向利益相关方报告

图2显示了Ansys工具集可以在产品开发工作流程的哪个阶段尽早介入，以进行可持续性评估和权衡决策。

图2：Ansys在工程设计流程的早期阶段实施工具和数据的生态设计方法，以简化生命周期分析（LCA）。

FlyZero团队认为对环境影响最大的材料是用于所有飞机机身的碳纤维增强塑料（CFRP）。CFRP具有高强度重量比，可替代钢和铝，从而大幅度节省燃料。CFRP的密度可以是铝的一半，比钢低四倍。

然而，他们应根据较低的二氧化碳推进方案，重新评估CFRP的材料和制造工艺及其低再循环能力。生物基碳材料和回收技术可能为降低环境影响提供了机会，但该技术也面临着其他挑战，如低耐火性和低强度，目前仍处在提高可扩展性的道路上。

对受限物质的筛选还表明，包括环氧树脂在内的塑料存在一些最高风险，其次是镍基材料。在社会绩效方面，影响最大的元素清单与环境和受限物质清单中强调的风险物质和材料清单不同，而是确定了由于地缘政治采购问题和/或稀缺性而造成价格波动的元素。  

图3确定了设计流程的高级阶段，并指出Ansys材料软件工具和数据的集成，可以帮助快速筛选材料和制造，从而实现有效的生态设计，并深入了解使用寿命终止方案。概念设计阶段是产品生命周期中的一个关键时刻，因为在这一阶段，材料、制造、使用阶段设计和使用寿命终止决策将基本确定，并且80%的生命周期影响因素和成本，在该阶段之后将难以改变。然而，这也是选择最多的设计阶段（材料、工艺、几何结构等），但由于供应商的保密性和/或缺乏主要测量信息，该阶段可用的详细信息最少。 

图3：FlyZero概述的可持续性影响模型，说明了生命周期范围和应用的工具。

这项工作通过识别危险/受限材料、供应安全或不符合道德的采购、再循环能力等，向FlyZero团队提供了飞机对环境影响的定量（全球变暖潜势、内含能）和定性信息。您可以在此处下载“ATI FlyZero——可持续发展报告（https://www.ati.org.uk/wp-content/uploads/2022/03/FZO-STY-REP-0005-FlyZero-Sustainability-Report.pdf）”。该工作的结果将为未来研究和开发挑战提供决策依据，例如材料或制造工艺替代的需要。

参考资料

1. ACARE Goals

2. "Our Commitment to Fly Net Zero by 2050," IATA