随着城市空中交通（UAM）的快速演进，飞行汽车（eVTOL）正从概念走向适航取证和批量生产。这类飞行器兼具航空器的高安全要求与汽车的高频次使用特征，其整机结构必须在轻量化、复杂载荷和长寿命之间取得精准平衡。如何在设计早期就对整机结构强度与疲劳寿命进行高置信度预测，已成为各大主机厂的核心工程挑战。达索系统依托3DEXPERIENCE平台构建的低空经济解决方案，通过一体化建模、多学科仿真、疲劳寿命集成与虚拟验证闭环，为这一挑战提供了系统性的数字化答案。
一、低空经济平台的技术基座与结构分析范式
达索低空经济平台并非单一软件，而是基于3DEXPERIENCE架构整合CATIA、SIMULIA、ENOVIA等角色，覆盖飞行汽车从概念设计、详细工程、仿真验证到制造运维的全生命周期。平台以统一的数字模型为核心，确保外形、结构、载荷、材料数据在各个环节同源流转，从根本上消除了传统“设计-分析”断裂带来的误差累积。
在结构强度与疲劳领域，平台构建了“全机精细仿真模型—全局局部耦合—强度/疲劳一体化评估”的范式。机身、机翼（或旋翼支臂）、电池舱、起落架等结构在CATIA中完成详细几何与材料铺层定义后，直接进入SIMULIA场景，建立含蒙皮、长桁、框、接头和紧固件的全机混合网格模型。使用Abaqus求解器可以同时处理金属、复合材料以及3D打印异型结构，精确捕捉连接部位的非线性接触、材料弹塑性和损伤起始。
二、实现强度精确预测的关键技术路径
飞行汽车飞行剖面复杂，包线涵盖垂直起降、悬停、过渡飞行、巡航等阶段，气动与惯性载荷变化剧烈。平台通过多体动力学与CFD的协同仿真获得极限工况下的外载荷分布，再以高保真有限元模型进行强度校核。关键在于：
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多尺度建模与精细化连接分析
对于胶接、铆接或螺栓连接的复合材料-金属混合接头，平台支持从宏观到细节的三维局部模型嵌入。借助Abaqus的子模型技术或接触全局-局部方法，可以在整机解算中提取边界条件，驱动细节点应力精准计算，避免因简化连接假设导致强度误判。 -
非线性与损伤容限集成
飞行汽车为追求轻量化常采用薄壁结构并进入后屈曲承载。Abaqus的Riks分析、隐式/显式无缝联动，可精确评估极限载荷下的结构稳定性和失效模式。同时，复合材料渐进损伤模型（如Hashin准则与断裂力学内聚力单元）耦合到全机模型中，直接判断初始破坏位置，为疲劳危险部位识别提供输入。 -
动态载荷与振动疲劳基础
旋翼气弹、电机激励和突风响应引发高频振动，可能产生高周疲劳。平台将模态动力学响应与功率谱密度方法结合，能够将频域载荷映射到结构详细模型上，为后续振动疲劳分析打下精确的应力状态基础。
三、整机疲劳寿命精确预测的落地逻辑
与固定翼通航飞机不同，飞行汽车具有海量的短时起降循环，载荷谱包含低频大载荷的起降/突风循环以及高频振动叠加。平台通过将SIMULIA的耐久性技术（fe-safe或SIMULIA Fatigue）与统一材料库无缝对接，实现了物理驱动的疲劳寿命精确预测。
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构建飞行任务驱动的真实载荷谱
基于3DEXPERIENCE系统运行的飞行任务仿真（包线内数千种组合），自动生成关键识别点的载荷时间历程。这些历程经过雨流计数和累积损伤处理，直接作为疲劳工况的输入，摆脱了保守的包络假设，大幅提高预测的真实度。 -
多机制疲劳算法集成
疲劳求解器允许在同一模型中同时定义应力-寿命（SN）、应变-寿命（EN）、临界面多轴疲劳以及基于断裂力学的裂纹扩展分析。对于起落架、旋翼支臂等关键焊接或紧固孔结构，局部塑性区采用EN方法模拟低周疲劳损伤；对于机身框架等薄壁振动部件，用SN与Dang Van多轴准则应对高周疲劳，实现“一个模型、多机制覆盖”。 -
制造工艺影响的数字孪生嵌入
表面粗糙度、残余应力、热处理状态等因素深刻影响疲劳寿命。平台通过将DELMIA制造仿真得到的应力场、材料状态变量映射回强度模型，修正疲劳性能曲线。例如，焊接接头的初始残余应力直接作为平均应力叠加到外载荷应力上，使寿命预测从“理想材料”走向“真实制成品”。 -
概率评估与可靠性预测
考虑材料分散性、载荷变异和尺寸效应，利用平台内置的概率疲劳工具箱，通过蒙特卡洛或响应面法获得疲劳寿命的分布与可靠度。设计人员可直观看到关键部位达到设计寿命的概率，支撑适航审查所需的“符合性方法与持续适航”论证。
四、协同流程与数据闭环的价值
达索低空经济平台的核心优势在于实现了需求—设计—仿真—试验的全闭环。当疲劳寿命预测结果显示某些细节不能满足目标时，结构优化器（如Tosca结构）能在保持刚度前提下自动修改几何过渡、增加强化设计，并再次驱动强度/疲劳复查。所有的迭代过程、数据版本和决策记录均受控于ENOVIA，形成可以向适航当局展示的完整数字证据链。
此外，试验数据回灌模块允许将物理测试得到的应变、位移和寿命数据直接导入平台，用于仿真模型的修正与确认。修正后的数字模型被升版为“经验证的数字样机”，使后续改型或衍生型号的强度与寿命预测可以直接基于修正后的模型进行，缩短研发周期、降低测试成本。
五、应用展望
基于达索低空经济平台的全机结构强度与疲劳寿命精确预测方法，已经在全球多家eVTOL领先企业的型号研制中得到验证。它让工程师在设计变更之夜，仅需数小时即可重新评估整体强度包线和关键区域寿命，而无需等待长达数月的物理试验。这种速度和精度双提升，正在帮助飞行汽车行业跨越从“能飞”到“安全可靠运营”的关键鸿沟。
未来，随着平台低空经济生态的扩展，机场适配的快速充电结构热-力耦合疲劳、电池碰撞安全、复合材料雷击损伤后的剩余寿命等更复杂的问题，也将纳入统一的强度与耐久性预测框架。这将继续巩固数字化仿真在飞行汽车适航和规模化上的不可替代性，让城市立体出行真正拥有坚固且可预测的钢铁之翼。
