唐小潔 李元林 吳貽君

1四川大學(xué)錦江學(xué)院機(jī)械工程系，四川彭山 620860

2安世亞太科技（北京）有限公司，北京 100026

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在飛機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用初探

唐小潔1李元林2吳貽君2

1四川大學(xué)錦江學(xué)院機(jī)械工程系，四川彭山 620860

2安世亞太科技（北京）有限公司，北京 100026

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在當(dāng)今世界的工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。文章對(duì)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化概念的產(chǎn)生、演變、發(fā)展以及國內(nèi)外多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述分析，針對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)中存在的學(xué)科眾多、多學(xué)科高度耦合、難以全面優(yōu)化等問題，提出了飛機(jī)總體多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化集成平臺(tái)的構(gòu)建邏輯和技術(shù)路線，對(duì)過程集成、設(shè)計(jì)探索等技術(shù)進(jìn)行了分析闡述，并運(yùn)用該集成平臺(tái)在飛機(jī)總體設(shè)計(jì)中進(jìn)行了初步的嘗試和探索，取得較好的驗(yàn)證效果。最后展望了該設(shè)計(jì)集成平臺(tái)的應(yīng)用前景。

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化；飛機(jī)設(shè)計(jì)；過程集成；設(shè)計(jì)探索

引言

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化（Multidisciplinary Design Optimization，MDO）是一種解決大型復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中耦合與權(quán)衡問題，同時(shí)對(duì)整個(gè)工程進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效方法[1]。它利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集成各個(gè)學(xué)科（子系統(tǒng)）的知識(shí)，應(yīng)用有效的設(shè)計(jì)優(yōu)化策略，組織和管理設(shè)計(jì)過程，充分利用子系統(tǒng)之間相互作用產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，獲得系統(tǒng)的整體最優(yōu)解。

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的概念于80年代形成，美國NASA和AIAA十五年前就成立了專門的技術(shù)委員會(huì)來推動(dòng)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用和深入研究。在美國、歐洲政府部門的推動(dòng)下，MDO技術(shù)被大量應(yīng)用于國外各大航空航天機(jī)構(gòu)的新型飛行器設(shè)計(jì)中，包括NASA主持的著名的新一代超音速民機(jī)項(xiàng)目HSCT，新一代可重復(fù)使用空間飛行器設(shè)計(jì)環(huán)境（A E E）項(xiàng)目，歐盟的分布式推進(jìn)器翼身融合民機(jī)（B W B）項(xiàng)目，波音公司開發(fā)的基于高精度分析模型的飛機(jī)MDOPT系統(tǒng)，洛克希德公司研制的飛機(jī)快速概念RCD系統(tǒng)等等。而另一個(gè)航空強(qiáng)國俄羅斯，也在上世紀(jì)70年代就采用了“多準(zhǔn)則設(shè)計(jì)”來進(jìn)行航天領(lǐng)域的總體設(shè)計(jì)，該方法與美歐提出的MDO技術(shù)相似。

在國內(nèi)，MDO的研究從上世紀(jì)90年代中期開始，從跟蹤國外研究情況到吸收應(yīng)用，取得了一定的進(jìn)展。前期研究工作主要集中在航空航天類高校，如南航[2]、西北工業(yè)大學(xué)[3]、國防科大[4]和北航[5]等高校在飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等飛行器的MDO研究方面均取得了滿意的結(jié)果。近年來，隨著研究的深入，MDO也引起了工業(yè)界的重視，在航空航天、軍工、汽車、船舶等行業(yè)得到了應(yīng)用，并且在未來具有廣泛的應(yīng)用前景。如國內(nèi)的航空航天及軍工研究單位、汽車廠商均采購和開發(fā)了相關(guān)的MDO產(chǎn)品，應(yīng)用到自己的設(shè)計(jì)過程中。總之，國內(nèi)各行業(yè)領(lǐng)域，尤其是航空航天業(yè)對(duì)MDO技術(shù)的研究方興未艾，并且技術(shù)優(yōu)勢(shì)逐漸在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中體現(xiàn)出來。

1 飛機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)用現(xiàn)狀

飛機(jī)設(shè)計(jì)是一種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，涉及多種學(xué)科領(lǐng)域，如空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、自動(dòng)控制、電子技術(shù)、材料及工藝等，特別需要各方面的綜合協(xié)調(diào)，除豐富的科學(xué)技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)外，還需要大量復(fù)雜的設(shè)計(jì)、仿真及優(yōu)化。好的飛機(jī)設(shè)計(jì)方案，必然是在對(duì)其各專業(yè)、各子系統(tǒng)進(jìn)行了綜合、協(xié)調(diào)和多學(xué)科優(yōu)化之后才能產(chǎn)生。

以飛機(jī)為代表的復(fù)雜產(chǎn)品制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)和國家安全的重要基礎(chǔ)，是綜合國力的體現(xiàn)，是國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，是國防現(xiàn)代化的基礎(chǔ)和國家安全的保障，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)其他領(lǐng)域具有強(qiáng)有力的帶動(dòng)和輻射作用。由于飛機(jī)的研究發(fā)展和設(shè)計(jì)制造時(shí)間長、耗資巨大，使用和維護(hù)費(fèi)用高，因此世界各主要工業(yè)國家都非常重視發(fā)展以飛機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì)為代表的先進(jìn)研發(fā)技術(shù)，把對(duì)飛機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì)的研究納入國家或跨國重要發(fā)展計(jì)劃，開展了大量研究和工業(yè)應(yīng)用，取得了許多重要進(jìn)展和應(yīng)用成果，如：美國航天航空局的智能綜合環(huán)境（ISE）、美國的聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)（J S F）項(xiàng)目所建立的集成仿真環(huán)境（S A V E）、德國“生產(chǎn)2000”計(jì)劃等。在飛機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方面，波音777和空客A380的成功研制是這一領(lǐng)域發(fā)展的里程碑。這些大型標(biāo)志性的研究項(xiàng)目對(duì)推動(dòng)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法、技術(shù)、平臺(tái)和工程實(shí)踐的發(fā)展起到了重要作用。

長期以來，我國飛機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域一直非常重視多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)，在氣動(dòng)布局、氣動(dòng)外形、減重、飛控、性能權(quán)衡等方面做了大量的研究，取得了寶貴的理論和實(shí)踐成果，但在飛機(jī)多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的自動(dòng)化程度仍不高。飛機(jī)設(shè)計(jì)的整個(gè)反復(fù)迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)循環(huán)過程還主要依賴于設(shè)計(jì)人員通過手動(dòng)修改設(shè)計(jì)參數(shù)并調(diào)用響應(yīng)的仿真分析工具完成飛機(jī)各總體性能的計(jì)算以及性能目標(biāo)的評(píng)價(jià)，致使反復(fù)迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)過程效率低、周期長、容易出錯(cuò)。飛機(jī)多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)自動(dòng)化程度不高的主要原因：一是缺乏高度集成的分布式多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化環(huán)境；二是缺乏優(yōu)化設(shè)計(jì)自動(dòng)化所必需的各仿真工具和計(jì)算機(jī)硬件封裝集成與管理手段；三是缺乏成熟的高效求解飛機(jī)復(fù)雜、大尺度多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)化策略和結(jié)果后處理工具。

2 飛機(jī)總體多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)探索

2.1 飛機(jī)總體多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)

飛機(jī)總體設(shè)計(jì)需要對(duì)飛機(jī)的各種設(shè)計(jì)要求和各個(gè)專業(yè)進(jìn)行綜合、協(xié)調(diào)，在多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的需求方面特別明顯。

飛機(jī)總體設(shè)計(jì)是在使用方提出特定設(shè)計(jì)要求的條件下，設(shè)計(jì)人員應(yīng)用氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力、材料、工藝等學(xué)科知識(shí)，通過分析、綜合和創(chuàng)造性思維確定飛機(jī)布局形式和總體設(shè)計(jì)參數(shù)，經(jīng)過計(jì)算、分析、修正，使所設(shè)計(jì)出來的飛機(jī)以優(yōu)良的性能，最大限度地滿足使用方的要求[6]。飛機(jī)總體設(shè)計(jì)工作中的失誤，不僅會(huì)對(duì)以后的設(shè)計(jì)工作產(chǎn)生不利的影響、在時(shí)間上和經(jīng)濟(jì)上造成浪費(fèi)，而且往往會(huì)直接影響研制工作的成敗。因此，飛機(jī)總體設(shè)計(jì)是飛機(jī)研制過程中最為重要的一個(gè)階段。飛機(jī)總體設(shè)計(jì)過程中總體參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程[6]見圖1：

圖1 飛機(jī)總體參數(shù)優(yōu)化流程

由此可以看出飛機(jī)總體設(shè)計(jì)是一個(gè)多學(xué)科參與、多參數(shù)輸入、多目標(biāo)尋優(yōu)的復(fù)雜設(shè)計(jì)過程?；谏鲜鰧?duì)飛機(jī)總體設(shè)計(jì)過程的分析，結(jié)合調(diào)研考察，我們發(fā)現(xiàn)目前飛機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于：學(xué)科及工具眾多，并且分散在不同的專業(yè)科室，難以集成；優(yōu)化參數(shù)眾多，多目標(biāo)尋優(yōu)，難以構(gòu)建全面優(yōu)化模型；目前人為傳遞參數(shù)和數(shù)據(jù)導(dǎo)致效率低下，而且容易出錯(cuò)。因此急需構(gòu)建多學(xué)科統(tǒng)一集成框架平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工具、參數(shù)、數(shù)據(jù)和優(yōu)化流程等的統(tǒng)一化、規(guī)范化管理集成，提高飛機(jī)設(shè)計(jì)效率。

2.2 飛機(jī)總體多學(xué)科集成平臺(tái)構(gòu)建技術(shù)

基于成熟軟件框架，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科工具集成，同時(shí)將設(shè)計(jì)優(yōu)化流程清晰的定義在平臺(tái)中，自動(dòng)建立好多學(xué)科參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)，通過代理模型的建立，調(diào)用平臺(tái)中集成的各種優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。如圖2所示是對(duì)飛機(jī)總體多學(xué)科設(shè)計(jì)集成平臺(tái)提出的初步構(gòu)建邏輯。

圖2 飛機(jī)總體多學(xué)科設(shè)計(jì)集成平臺(tái)設(shè)計(jì)邏輯

基于上述設(shè)計(jì)邏輯，并基于成熟MDO軟件提出了平臺(tái)構(gòu)建邏輯，必須包括如下功能模塊：

分析服務(wù)器：用于封裝應(yīng)用軟件和程序，且提供計(jì)算機(jī)軟硬件資源；

集成優(yōu)化客戶端：用于搭建設(shè)計(jì)流程并集成相關(guān)應(yīng)用組件，進(jìn)行快速分析和優(yōu)化。

并行計(jì)算服務(wù)器：用于為優(yōu)化設(shè)計(jì)流程提供基于web的網(wǎng)格計(jì)算服務(wù)和數(shù)據(jù)管理。同時(shí)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)資源管理及知識(shí)共享重用。

設(shè)計(jì)探索工具：提供各種設(shè)計(jì)優(yōu)化工具包，比如有試驗(yàn)設(shè)計(jì)工具包、D O T優(yōu)化工具包、遺傳算法包、Boeing探索工具、甚至支持自定義優(yōu)化策略。

基于上述功能需求，我們規(guī)劃了如圖3所示的集成平臺(tái)體系架構(gòu)。主要包含三個(gè)層次：應(yīng)用客戶端、功能應(yīng)用層及基礎(chǔ)資源層。真實(shí)仿真程序，又消除了設(shè)計(jì)空間“噪聲”，避免優(yōu)化過程陷入局部峰值，實(shí)現(xiàn)快速搜索全局性最優(yōu)解。2）采用“兩級(jí)”判別機(jī)制評(píng)價(jià)優(yōu)化結(jié)果是否達(dá)到最優(yōu)，保證了最優(yōu)結(jié)果的精確性。圖4是波音探索工具內(nèi)部運(yùn)行流程圖。

圖3 飛機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì)集成平臺(tái)體系架構(gòu)

圖4 波音探索工具內(nèi)部運(yùn)行流程

應(yīng)用客戶端是設(shè)計(jì)師直接面對(duì)的工作環(huán)境，設(shè)計(jì)了兩種模式：本地客戶端模式和Web客戶端模式，本地客戶端提供流程封裝功能及設(shè)計(jì)探索工具。

功能應(yīng)用層是后臺(tái)支撐層，具有分析服務(wù)器和計(jì)算服務(wù)器兩大模塊，提供各種工具封裝服務(wù)及并行計(jì)算服務(wù)。

基礎(chǔ)層提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫和各種軟硬件計(jì)算資源。

2.3 多學(xué)科流程及工具集成

該平臺(tái)采用組件的方式完成多學(xué)科設(shè)計(jì)流程及工具的集成，通過兩個(gè)步驟：

1）將軟件程序封裝為組件；

2）選擇組件搭建統(tǒng)一的設(shè)計(jì)流程模型。

該平臺(tái)的流程及工具集成功能如下：

1)支持異地、異構(gòu)環(huán)境的軟件和程序封裝集成；提供了多種封裝工具，如：針對(duì)Catia、Matlab、UG、Ansys、Nastran等通用的商業(yè)軟件，開發(fā)了專業(yè)封裝接口，實(shí)現(xiàn)快速程序封裝和輸入輸出參數(shù)定義；對(duì)各種自編程序和經(jīng)驗(yàn)公式，提供了腳本、Excel、通用封裝接口等多種方式；

2)設(shè)計(jì)流程自動(dòng)化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)參數(shù)和文件的自動(dòng)傳遞；

3)多學(xué)科專業(yè)軟件無縫集成，搭建系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)流程；

4)支持相同設(shè)計(jì)流程不同用途的分析調(diào)用；

5)管理封裝完畢的組件，為分布式計(jì)算提供基礎(chǔ)組件庫。

采用該平臺(tái)框架，通過拖拽組件的方式搭建完整的“設(shè)計(jì)－分析－優(yōu)化”過程?？傮w設(shè)計(jì)模型還需考慮各分析模塊之間存在數(shù)據(jù)和文件傳遞關(guān)系，如CAD建模模塊需要向氣動(dòng)分析模塊、強(qiáng)度分析模塊提供CAD模型；氣動(dòng)分析模塊向強(qiáng)度分析模塊提供氣動(dòng)載荷等邊界條件，在該平臺(tái)界面下，可通過手動(dòng)連接的方式完成組件間參數(shù)映射的定義。過程搭建支持“所見即所得”的搭積木方式，并將大量復(fù)雜的前后處理過程和操作技巧轉(zhuǎn)移到后臺(tái)。

2.4 設(shè)計(jì)探索工具

飛機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)設(shè)計(jì)探索工具的要求非常高，在該平臺(tái)中借鑒吸納了波音10年工程研發(fā)成果的結(jié)晶，形成專門的波音探索工具包。組合了試驗(yàn)設(shè)計(jì)抽樣、自動(dòng)更新的近似建模、優(yōu)化等多種手段。對(duì)解決包含仿真分析、模型魯棒性差及非平滑設(shè)計(jì)空間等特點(diǎn)的全局優(yōu)化設(shè)計(jì)問題非常有效。

波音探索工具有以下特點(diǎn)：1）采用kriging插值的方式生成近似模型，既代替了

波音探索工具為實(shí)際工程問題提供了完全自動(dòng)化的優(yōu)化方案，不需要用戶研究各種優(yōu)化算法理論，降低使用難度，是真正的“智能型”優(yōu)化工具。

3 飛機(jī)總體多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)案例

基于上述的設(shè)計(jì)集成平臺(tái)，截取了飛機(jī)總體設(shè)計(jì)中概念方案階段的進(jìn)行尋求航程最大方案的工作片段來進(jìn)行驗(yàn)證和嘗試。

本案例的涉及內(nèi)容如下表：

表1 飛機(jī)總體多學(xué)科優(yōu)化案例

本設(shè)計(jì)優(yōu)化存在兩大難點(diǎn)：

1）采用了非常多的各學(xué)科仿真分析軟件，各類軟件單次運(yùn)行時(shí)間很長，相應(yīng)的會(huì)帶來優(yōu)化設(shè)計(jì)周期的增長；涉及的軟件和程序大致如下：

a)幾何建模模塊，采用Catia軟件；

b)氣動(dòng)分析模塊，精確分析采用Fluent、CFX等商業(yè)CFD軟件等；

c)強(qiáng)度分析模塊，采用A n s y s、Nastran等有限元分析軟件；

d)重量分析，采用自編程序；

e)推進(jìn)系統(tǒng)分析模塊，采用自編程序；

f)性能分析模塊，采用自編程序；

g)操縱穩(wěn)定性分析模塊，采用Matlab軟件。

2）在該設(shè)計(jì)階段，不了解設(shè)計(jì)參數(shù)與目標(biāo)參數(shù)之間的關(guān)系，缺少設(shè)計(jì)空間（線性非線性多峰）信息，優(yōu)化方法和策略不易選擇。

基于該需求原型，在集成設(shè)計(jì)平臺(tái)上構(gòu)建該優(yōu)化案例，對(duì)設(shè)計(jì)流程及工具進(jìn)行集成封裝，效果如圖5所示：

圖5 集成平臺(tái)構(gòu)建效果圖

在本設(shè)計(jì)中，通過波音探索工具快速尋找到優(yōu)化方向，經(jīng)過約30步迭代（如圖6）就尋找到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，在滿足設(shè)計(jì)約束的前提下，最大航程數(shù)顯著增加。

圖6 航程優(yōu)化過程及結(jié)果

本案例設(shè)計(jì)優(yōu)化全過程在涉及眾多設(shè)計(jì)工具和程序的條件下，非?？焖俚孬@得了優(yōu)化結(jié)果，充分驗(yàn)證了該平臺(tái)架構(gòu)的可靠性及穩(wěn)健性，同時(shí)也對(duì)后續(xù)平臺(tái)的應(yīng)用具有非常好的參考價(jià)值。

4 結(jié)論

本文以飛機(jī)總體設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)原型為依托，提出了基于成熟商業(yè)MDO軟件搭建飛機(jī)總體多學(xué)科設(shè)計(jì)集成平臺(tái)的構(gòu)建邏輯，并在飛機(jī)總體設(shè)計(jì)中進(jìn)行了驗(yàn)證。通過該集成設(shè)計(jì)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)設(shè)計(jì)多個(gè)專業(yè)多部門的設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)協(xié)同，調(diào)用異地、異構(gòu)的計(jì)算機(jī)資源，完成復(fù)雜的設(shè)計(jì)過程，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)設(shè)計(jì)多種方案的快速權(quán)衡、優(yōu)化，以及設(shè)計(jì)參數(shù)研究，加快飛機(jī)設(shè)計(jì)過程。

[1]張科施.飛機(jī)設(shè)計(jì)的多學(xué)科優(yōu)化優(yōu)化方法研究[D].西北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文.2006.5

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.13.055

唐小潔,助教,碩士,研究方向?yàn)閭鞲衅鳌?/p>