中航飛機研發(fā)中心結構所 李 灼 耿雅軒 王 健

基于服務的高性能多學科優(yōu)化計算在飛機設計中的應用

中航飛機研發(fā)中心結構所 李 灼 耿雅軒 王 健

多學科設計優(yōu)化是一種充分探索子系統(tǒng)相互作用的復雜系統(tǒng)設計的方法論，其利用各個學科（即子系統(tǒng)）之間相互作用而產(chǎn)生的協(xié)同效應，讓整個系統(tǒng)計算出最優(yōu)解。本文簡要說明了該技術在基于服務（SOA構架）的飛機設計中所涉及的應用層面，并以BRIDGE項目為實例介紹該應用。

多學科設計；最優(yōu)解；飛機設計；SOA構架；BRIDGE項目

前言

隨著社會發(fā)展和科學技術的進步,傳統(tǒng)的設計方法己逐漸暴露其局限性,己不能滿足當今社會發(fā)展的需求,而高性能多學科優(yōu)化計算的方法能在最大限度上彌補其不足。就飛機設計而言,從單一的硬件設施到復雜的軟件系統(tǒng),每個部分看似獨立卻又緊密相關,讓他們高性能的結合到飛機設計中的方法,勢必是多學科優(yōu)化計算。

1 飛機設計的主要階段及其優(yōu)化問題

1.1 指標擬定和可行性論證

我們根據(jù)飛機的不同用途,對指標和技術要求進行相關分析。一般分為軍用飛機(由軍方提出)和民用飛機(根據(jù)國民經(jīng)濟情況、交通運輸結構、航線的類別和需求、國家的工業(yè)基礎和技術水平等方面綜合考慮)兩類。飛機的設計指標和技術要求主要包括：用途、載客量或裝載量、航程、航速、機場情況、可能采用的發(fā)動機和機載設備、可靠性、經(jīng)濟指標、維修性和使用維護的條件等等。

該階段也被稱為任務定義階段,主要定義系統(tǒng)的各項指標。為了保障該階段決策任務指標的準確性,引用設計優(yōu)化就顯得非常有效和重要。設計優(yōu)化的計算方法,可以將指標進行最優(yōu)分配。

1.2 方案設計

方案設計包括初步確定飛機的類型以及外形、主要參數(shù)的設計、部件的幾何尺寸、結構型式及重量;初步選擇所需要的設備、動力裝置等;初步擬定符合飛機剖面要求的不同航跡的操縱方案等等。此階段要繪制出飛機的三面草圖和總體布置草圖,以進一步論證飛機技術要求的可行性和經(jīng)濟效益。

該階段也可以叫做概念設計階段,通過反復、周密的權衡來形成一些基本的外形,期間也可以通過設計者的直覺和個人經(jīng)驗來構建一個初始外形,接著依據(jù)這些信息進行參數(shù)研究,從而檢驗設計的各項指標是否合理。該階段的設計主要依賴的是設計者的個人經(jīng)驗,如果采用優(yōu)化設計的方法,必定能使設計結果的可實行性最優(yōu)化。

1.3 打樣設計

在進行設計時需要確定飛機各部件之間的結構受力形式及相互連接關系,進行部位安排和重心定位,繪制各部件結構打樣圖,以進一步確定幾何尺寸、重量及動力裝置參數(shù),完成系統(tǒng)功能計算、強度計算、氣度計算、氣動彈性計算、飛行性能及操縱性穩(wěn)定性計算等;進行部件及全機的吹風實驗、系統(tǒng)功能試驗和新結構新材料的試驗,制出結構打樣圖、正式的飛機三面圖,進行總體布置圖和重心、重量的定位計算,提出各部件及各個系統(tǒng)的設計任務書、發(fā)動機安裝設計任務書和重量分配指標。該設計階段中,需制造木質樣機,以便審查方案并為輔助設計創(chuàng)造條件。

該階段的目標是為了使上階段制定的方案更加精確,不僅對設計結果外形進行更加詳細的描述,還對上階段作出的基準設計進行更多的細節(jié)分析,即用科學的方法同時對多個學科設計進行分析。由于缺乏建立迭代循環(huán)的特定體系,該階段的并行性常常會導致各學科設計組的不一致。該階段設計者需要作出更多更重要的選擇和決策,那么引入優(yōu)化設計對計算效率及設計結果有著極為重大的影響。

1.4 工作設計

根據(jù)以上確定的方案以及打樣的結果,完成零件制造,制作部件、系統(tǒng)、全機裝配的工作圖紙,提供生產(chǎn)、驗收的技術文件,包括計算零部件的剛度、強度、顫振和重量,計算飛機氣動性能以及各系統(tǒng)性能,進行結構的靜、動強度和疲勞試驗以及特種設備和各系統(tǒng)的臺架試驗,還需要試制原型機并制定其試飛大綱。

該階段是設計的最后階段,主要是對細節(jié)性的東西加以注意,并進行更多的復雜分析。比如進行某部件的結構優(yōu)化,可以在更大程度上減輕結構重量。當然,這些局部的優(yōu)化是不會對飛機整體性能產(chǎn)生本質的影響。

由此我們可以看出,實現(xiàn)飛機的綜合優(yōu)化設計也并不容易,大量的變量和各種現(xiàn)實環(huán)境條件的約束,讓飛機的整體綜合設計存在更多的挑戰(zhàn)。因此,不論是在飛機設計的哪一個環(huán)節(jié),優(yōu)化設計占著舉足輕重的最用。

2 SOA構架

定義：面向服務的體系結構,是一個組件模型,它將應用程序的不同功能單元(稱為服務)通過這些服務之間定義良好的接口和契約聯(lián)系起來。接口是采用中立的方式,它獨立于實現(xiàn)服務的編程語言、硬件平臺和操作系統(tǒng)。這使得構建在各種這樣的系統(tǒng)中的服務可以一種統(tǒng)一和通用的方式進行交互。

SOA體系結構提供的方法可以構建分布式系統(tǒng),從而將應用程序功能作為服務提供給終端用戶。其組成元素可為兩個部分,一個是集中于體系結構的功能性方面,另一個是集中于體系結構的服務質量方面。

SOA的目標是讓IT系統(tǒng)變得更有彈性,從而更加符合不同使用者的自身發(fā)展。采用SOA來構建信息平臺,無疑是未來的發(fā)展方向。

所以,以SOA(服務)為基礎的多學科飛機設計,不僅能在軟件系統(tǒng)平臺上滿足設計的需求,還能通過這樣的架構方式實現(xiàn)多方信息的一體化,從來提高各項飛機設計的軟性需求。

3 實例應用

本文是以BRIDGE項目為實例做簡要分析。具體如下：

BRIDGE是一個為期三年、投入資金1040萬美元的大型項目,是歐盟第6次研究和技術開發(fā)框架項目計劃(FP6)的組成部分。由GSI領頭,其中參與者包括行業(yè)人士和研究機構人員。

該項目對于飛機的設計應用主要體在現(xiàn)在對機場環(huán)境的要求上。最為明顯的表現(xiàn)是機場的噪聲污染,而追究其根源,則主要是因為飛機的起落架和襟翼產(chǎn)生的噪音。那么如何在保障飛機飛行質量的前提下,降低飛機襟翼著陸所產(chǎn)生的噪音?這成為了飛機設計中的一個多學科優(yōu)化設計的目標。

該目標的實現(xiàn)可以通過優(yōu)化著陸襟翼的位置來降低噪音,保持升力不變或略微提高。而襟翼位置的改變,又將涉及到空氣動力和結構變形的多學科的優(yōu)化問題。在不改變飛機設計本質的前提下,將不同學科進行優(yōu)化,能更有效地提高飛機本身的效用。

該項目的成功還為我國網(wǎng)絡平臺提供了借鑒以及技術支持,以航空為發(fā)展目標的基于SOA的多學科優(yōu)化系統(tǒng)在中歐網(wǎng)絡平臺上通過長期穩(wěn)定運行得到了驗證。

4 總結

綜上所述,基于SOA的多學科優(yōu)化設計不僅能利用各個學科(子系統(tǒng))之間的相互作用所產(chǎn)生的協(xié)同效應,來獲取系統(tǒng)的最優(yōu)解,還能在實踐上實現(xiàn)并行設計、縮短設計周期,從而使設計出的實物會更符合飛機設計的應用。

它的存在合理的平衡了在飛機復雜設計中的一些相互沖突的技術問題以及經(jīng)濟要求,充分體現(xiàn)了并行思維,考慮到所有設計學科中交叉影響的部分,進而對其進行優(yōu)化,在提高了設計質量的同時,也節(jié)約了飛機的設計成本。

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