X-59空中（来源：Collier Aerospace）

航空航天工程师需要比较潜在复合材料结构的设计，以总重量和可制造性设计（DFM）为考量标准。这些设计之间存在权衡。例如，面板间尺寸变化较多的复合材料结构重量更轻，但制造难度更大，成本更高；而面板间尺寸变化较少的结构则重量更重，但制造更易，成本更低。

如今，计算机辅助工程（CAE）软件，如Collier Aerospace的HyperX®，能够优化材料系统和面板横截面尺寸的最轻组合。然而，航空航天工程师还需要一种能够全面展示所有可能设计并具备安全裕度的方法，以及一个便于有效比较这些选项的界面。为此，科利尔航空公司开发了HyperXpert®工具。

传统的CAE应用不便于设计空间探索，因为它们仅提供一个数据点，不利于稳健的设计比较。此外，非航空航天专用的CAE软件可能无法生成初步和关键设计审查所需的应力报告。然而，工程师必须向监管机构提供飞机机身认证的安全裕度计算。

总部位于弗吉尼亚州纽波特纽斯的科利尔航空航天公司正在解决这些及其他诸多挑战。其HyperX®软件利用有限元分析（FEA）结果进行尺寸优化，确定材料重量最轻的组合及面板横截面尺寸，包括铺层角度和堆叠顺序，使工程师能快速分析设计替代方案并考虑权衡。

HyperX®软件优化复合材料结构设计，无需工程师更换现有工具。该软件的数据库建立了数字线程，并与Nastran、Abaqus、Optistruct、HyperMesh、Catia、3DX和NX CAD等主流FEA和CAD软件协同工作。使用HyperX软件，工程师可查看所有面板、载荷情况和失效标准的最轻重量设计，无需重新提交FEA。

HyperXpert®作为HyperX工作流的扩展工具，可执行全因子实验设计（DOE），并在重量与尺寸变化图中展示设计空间的最佳选项。不同于其他实验设计方法，全因子DOE工具分析每个变量的所有组合，确定各变量的单独影响，帮助工程师决定变量关联方式及相互影响。

由于DOE工具以图表形式组织数据，工程师可快速比较结果、审查趋势并选择最佳设计进行制造。通过在概念设计初期量化制造可行性因素，用户可避免不必要的成本并加速项目进度。更重要的是，全面查看所有选项可增强设计选择的信心。

以下两个案例研究展示了创新公司如何利用这些先进软件解决方案设计轻质且成本效益高的复合材料结构。

快速工程与X-59机鼻锥

位于加利福尼亚州圣克莱门特的Swift Engineering公司设计和建造高性能航空航天飞行器。近期项目包括洛克希德·马丁臭鼬工厂（Lockheed Martin Skunk Works®）的X-59试验飞机加长机鼻锥，该项目是美国国家航空航天局（NASA）安静超音速技术（Quesst）任务的一部分，旨在建立可接受的陆地商业超音速飞行噪声标准。

 

X-59机鼻锥（来源：Collier Aerospace）

几十年来，监管机构禁止此类飞行，因其产生的音爆声可达194分贝（dB），损坏物理结构。飞机重量是音爆声和强度的重要因素，但X-59机鼻锥还需引导气流并提供受控的空气动力学压力分布以减轻冲击波影响。

初步设计为400磅，采用石墨/环氧复合材料和蜂窝芯三明治结构。Swift Engineering使用HyperX®软件去除多余堆积，优化设计以应对应力和稳定性，最终将机鼻锥重量减少超过25%，降至300磅。凭借独特几何形状，X-59预计将产生几乎听不见的沉闷声而非音爆，延长的机鼻锥设计是关键。

除设计和建造外，Swift Engineering还负责结构分析和认证测试，评估各种载荷情况，并为部件放行和制造提供详细应力报告。借助Collier Aerospace软件，Swift Engineering按时且低于预算完成项目要求，提前交付X-59机鼻锥。

拉迪亚和WindRunner™货运飞机

Radia，一家总部位于科罗拉多州博尔德的航空航天制造公司，正在建造世界上最大的飞机——WindRunner™，用于将长达100米（330英尺）的叶片运至陆上风电场，克服地面运输限制。早期阶段，Radia便寻求Collier Aerospace作为软件提供商和工程顾问。

Radia采用科利尔航空公司的结构尺寸和分析方法，对机翼、机身、肋条、梁、桁条等复合材料和金属部分进行配置评估。利用HyperX®软件的自动化尺寸功能，考虑非增压机身的巨大尺寸和容量等不寻常变量，迅速取得重大进展。

 

科利尔航空航天HyperX软件中的Radia WindRunne

在加快工程周期和缩短美国联邦航空管理局（FAA）及欧盟航空安全局（EASA）认证流程的同时，Radia正从复合材料结构中去除重量和成本，并计划使用科利尔航空公司的软件验证供应商在详细设计阶段的结构尺寸工作。

新的高度与正确的工具

像Swift Engineering一样，Radia正借助正确工具攀登新高峰。Collier Aerospace的HyperX®软件能识别最轻材料和面板配置，包括层压角度和堆叠顺序，使航空航天工程师高效评估设计权衡。HyperXpert®通过评估所有变量组合，增强设计过程，帮助工程师理解和可视化各因素对复合材料结构设计的影响。

这些软件解决方案支持更快、更明智的决策，推动监管合规性和可制造性设计（DFM）。Swift Engineering和Radia等公司利用Collier Aerospace软件优化设计，无需更换现有工具或重新提交FEA，更高效地设计出更轻、成本更低的复合材料结构。