通过使用飞机结构的端到端过程，在整个产品生命周期充分利用仿真功能，制造商已经能够及时、以可预测的性能提供创新产品。这让他们可以减少模型准备时间，缩短设计 – 分析迭代，评估不同学科之间的折衷方案，简化开发以便及时发货并改进设计质量。
绝大部分飞机企业工程部门都面临着根本性的挑战。这在飞机结构领域尤为明显，因为产品的复杂性日益提高，对于安全和认证的需求日益增加。机身结构分析的主要挑战在于自动化、标准化、追踪性和部署。
全局仿真过程意味着许多工程团队可以密切合作，从计算机辅助设计 (CAD) 定义到计算机辅助工程 (CAE) 模型和应力分析。使这一过程自动化，正是加快和改进设计仿真迭代效率的关键所在。
此外，导致飞机认证的飞机结构尺寸调整需要计算成千上万个结构分析。在应力分析过程中获取正确数据和使用正确工程方法、共享工作成果和发布应力报告缺乏一致性，致使认证困难重重且历时长久。过程标准化通过提高一致性并降低出错风险，帮助解决这一问题。
过程自动化和标准化是机身结构分析的重要难题，而维持特定数据、模型和过程 / 方法从概念到最终产品的可见性和追踪性一直是一大挑战。
最后，为保持竞争优势，全球化企业可以与供应商共享模型，而这也为数据安全带来真正的挑战。
如何实施飞机结构全局仿真过程
Siemens Digital Industries Software 提供有关飞机结构仿真的整套解决方案，帮助实现数据和结果的可追踪性，同时保持一致的全局过程控制。
Simcenter ? 产品组合是一系列综合仿真（加高级方法）测试和数据管理工具，可以简化全局仿真过程， 便于 CAD 几何体定义和提供 CAE 环境。
除了详细有限元模型 (FEM) 方法以外，最终用户可以使用分析工程方法库调整飞机结构组件尺寸。根据仿真数据和结果生成应力报告的功能，让最终用户可以从一致而集成的全局过程中获益，从而可以在整个设计周期节约时间。
越来越多要在全球化团队中处理和共享的数据和结果、模型、仿真结果和工具通过 Teamcenter? 仿真软件管理和追踪。
Siemens Digital Industries Software 解决方案可以在全球范围内部署，因此，飞机原始设备制造商 (OEM) 可以通过为工程师们提供具备适当方法和工具的集成式环境来外包工作，并在供应链中形成竞争优势。
概括而言，机身结构分析中的自动化和标准化挑战可以通过 Siemens Digital Industries Software 产品解决， 因为它提供涵盖整个仿真链的集成式仿真环境，重点关注客户数据、知识和过程的捕获和追踪。
航空航天企业面临着开发成本、改进项目交付性能和管理创新举措，同时便于管控产品质量的挑战。对于试图实现效率、质量、合规和成本突破的企业而言， 他们必须转变基于模型的工程过程。这是一个复杂而多维的问题，涉及不同过程、工具和组织之间的相互依赖。其目标是制定更为准确的决策、在项目周期中更早实现这些决策以及提高需求、功能、测试计划、验证和认证之类关键决策元素之间的关联和追踪。
第一项要求就是支持不同团队之间的端到端数字化连通和集成，让他们可以无缝执行业务工作，协同合作并在整个设计周期中管理数据访问。另一个重要方面就是创建产品架构、设计需求、测试计划和执行、仿真和验证、CAE 数据和过程管理之类不同学科和主题的数字化线程。
行业创新和领导企业正在构建和发起一些策略，用于关联业务目标与过程改进，此外还在制定能够产生短期价值和实现目标状态的特定举措。
开发成本在导致项目延迟方面存在的挑战，对于飞机结构领域尤为明显，因为产品的复杂性日益提高，对于安全和认证的需求日益增加。
航空航天企业面临着开发成本、改进项目交付性能和管理创新举措并确保产品质量方面的挑战。
将新产品的开发和生产规划控制在预算和计划范围内， 对于任何一家飞机制造商而言都是一项挑战。飞机企业可能经历长达五年的项目延迟，这使制造商的工程时间显著延长，成本超支可能高达上亿美元。如图 3 所示，成本超支可能高达 48%。同时，制造商需要向客户支付的违约金可能高达数十亿美元（见图 3）。
在可行性分析阶段，几种可能的飞机配置和匹配的机身架构和技术得以探索。例如，可以评估将引擎放在后部还是机翼盒上，或是评估对于结构使用复合材料还是金属。
一旦选定某种配置，我们就会转到概念阶段，将重点关注到结构拓扑和设计原则上（例如，结构框架的数量）。完整的飞机结构通过权衡研究逐步定义，从而评价几种准则之间的更佳权衡。
总体机架一旦确定，就可以开始结构细节定义的最终设计。例如，考虑减层的堆叠顺序或详细桁条剖面（如腹板高度、腹板和支柱厚度）。
确定飞机的详细尺寸之后，权威机构将根据关键文档评估飞机的审批和认证。这属于开发阶段。
在每个环节，都时常需要对设计和载荷更新进行迭代和返工，以便实现更佳设计和认证需求，而这也导致额外延迟并影响整个开发过程。
由于飞机制造商的数量不断增加以及新厂商的不断涌现，以更短的交付周期和具有竞争力的成本交付，这方面的压力倍增。
此外，材料和设计复杂性的不断提高，导致结构分析需求增加。工程比已经从 5 个设计师：1 个应力工程师增加到 1 个工程师：2 个应力工程师。
除此以外，认证环境和安全标准也越来越严格。
商用飞机（30% 是军用飞机）有 60% 的非重复性成本花费在结构上，这就意味着，任何结构分析过程方面的改进都会对减少延迟和成本超支产生重要影响。
为了突出结构分析过程方面潜在的改进，让我们一起来看看典型飞机结构过程。
下图显示了从 CAD 基础架构、内部载荷有限元模型
（或全局有限元模型）生成到应力和结构评估分析这一简化过程。
典型的飞机结构过程主要涉及四个不同学科：设计 /CAD、载荷、有限元模型连同有限元模型生成和有限元分析、安全裕度 (MoS) 计算。
设计 – 根据公司流程对 CAD 模型进行手动更新或者参数化。但是，CAD 数据并不是主要用于仿真。
准备仿真几何体非常耗时，因为它可能花费 20% 的分析时间。能够迅速了解任何设计更改对于完整过程的影响，这也至关重要。
从仿真角度对 CAD 几何体进行参数化，而不是依赖于设计师意图，对于在整个过程中减少几何体准备时间价值重大。
外部载荷计算（飞行理论，包括气动弹性学）– 外部载荷有限元模型用于主要结构刚度和质量效应的线性静态、动态和颤振分析。这帮助实现了载荷与更为详细的内部载荷有限元模型的映射。
通常而言，这些外部载荷在整个飞机项目中会更新三到五次。能够迅速了解载荷更改的影响以及载荷的不确定性，同样至关重要。
载荷有限元模型也称为全局有限元模型 (GFEM)。此有限元模型直接从 CAD 模型生成，或者是先前飞机项目修改而成的有限元模型。内部载荷有限元模型可能通过不同部分构建；如果是这样，模型会组合为一个装配；这就意味着，有大量模型和数据需要管理。
此模型用于每个主要结构载荷路径的线性静态分析， 还会为主要结构的详细应力分析提供自由体载荷。
内部载荷用作详细有限元模型 (DFEM) 的有限元计算或是分析计算的输入（主要使用客户内部工具或标准手册）。
其中的难题在于，通过自动化加快模型创建、不同子模型必要的装配管理以及集成各种公司标准进行网格生成（例如，网格划分规则、质量检查等）。
详细有限元模型通常是为复杂几何结构生成的。此外， 它还用于通过非线性分析捕获复杂现象。
安全裕度计算在结构组件分析中执行，主要通过分析方法进行（根据标准飞机手册或公司标准）。
内部载荷和几何体直接从 CAD 或有限元模型和结果中提取，安全裕度计算通过手册中的分析方法进行。必须确保输入数据、所用方法以及安全裕度结果的完全可追踪性。
其中的难题在于加快数据准备（应力工程师 30% 的时间用于准备数据）、使用正确的方法以及维持输入数据和相关认证安全裕度的可追踪性。
因此，融合不同技能（载荷 /CAD/CAE/ 安全裕度）是改进项目性能和打破开发成本曲线的一大挑战，也因而提出以下关键要求：
1. 简化结构分析过程 ? 过程自动化
2. 提供几何体访问权限和设计更新 ? 集成设计与仿真，从而提高工作效率
3. 方法和过程标准化 ? 需要开放实施公司过程和方法
4. 需要可追踪性 ? 设计配置管理材料、载荷、有限元模型管理
除这些活动以外，数据管理是指执行端到端仿真工作流的仿真数据管理。这方面的挑战包括：
● 捕获并管理所有仿真数据（几何体、模型、输入模型、载荷工况、结果、报告等）
● 捕获仿真文件及其关联元数据
● 储存并管理原有、工作中 (WIP) 和已发布仿真数据
● 管理数据库中的大型文件或者将其置于数据库之外并进行追踪
结构分析过程的当前方法是混合商用现货 (COTS) 和公司内部方法与具有专门功能的工具，并且必须具备：
● 几何体访问权限和设计更新
● 载荷访问权限和载荷循环迭代
● 标准化流程和可追踪性
Siemens Digital Industries Software 提供集成式端到端飞机结构解决方案，涵盖整个飞机结构过程，能够用于：
● 封闭从 CAD 过渡到 CAE 形成的间隙（设计更新、有限元装配等）
● 管理设计更改、载荷循环迭代
● 确保从概念设计到认证的可追踪性
● 简化和标准化应力分析过程（无论是基于分析计算还是有限元计算）
● 结合客户方法、过程和更佳惯例定制过程
Simcenter 3D（图 9）是一系列综合仿真（加高级方法） 和数据管理工具产品组合，可以简化从 CAD 几何体定义到 CAE 环境的全局仿真过程。
越来越多要在全球化团队中共享的数据和结果、模型、仿真结果和工具通过 Teamcenter 仿真软件管理和追踪（图 9）。
飞机结构的集成式端到端过程，在整个产品生命周期充分利用仿真功能，能够及时、以可预测的性能提供创新产品，譬如：
● 缩短 70% 的模型准备时间
– 通过赋能 CAE 用户修改几何体进行假设分析， 实现瓶颈上的突破
– 与旧程序相比，使用应用程序集成可以提高30% 的工作效率、改进 10:1 的设计周期时间
– 借助可扩展用户界面和引导式仿真，提高用户工作效率（新用户量产时间降低 20%）
● 减少设计 – 分析迭代
– 分析模型与设计几何体的关联性允许分析师在设计更改时迅速更新仿真
● 评估不同结构设计折衷方案（肋条数量、桁条数量等）
– 集成式环境便于理解设计决策对于产品性能多方面的影响
● 简化开发以便及时发货
– 管理从设计早期到投入使用的仿真数据
– 确保仿真基于设计和仿真共用数据管道的正确数据
– 通过在整个企业中实施和自动化更佳惯例，提高仿真速度和质量
● 改进非重复性开支的质量
– 通过关联安全裕度、CAE 模型和 CAD 几何体实现认证可追踪性
– 通过标准化过程和方法保持可追踪性