■ 楊琳 趙勇 蔣永松/中國航發(fā)動力所

中國航發(fā)動力所的壓氣機專業(yè)設計系統(tǒng)是依據(jù)專業(yè)及應用特點在多年研制經(jīng)驗的積累下逐步建立起來的，涵蓋了設計過程的各類要素，并建立了氣動專業(yè)的設計系統(tǒng)集成平臺，在型號和項目研制過程中推進使用，大幅提高了設計工作的效率，同時保證了整個團隊的設計質量和設計水平。

中國航發(fā)動力所壓氣機專業(yè)設計系統(tǒng)是依據(jù)專業(yè)及應用特點在多年研制經(jīng)驗的積累下逐步建立起來的，并以壓氣機氣動設計系統(tǒng)為代表建立了典型的集成系統(tǒng)平臺，在型號研制和預先研究中發(fā)揮了重要作用。

壓氣機氣動設計系統(tǒng)的建設最早可以追溯到“十五”。 “十五”期間，在航空推進技術驗證計劃的支持下，壓氣機專業(yè)開展了基于規(guī)范、軟件、數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)集成的設計體系建設工作。

壓氣機設計體系建設一直堅持邊建邊用，邊用邊完善的原則?！笆濉蹦┢诖罱ê玫臍鈩釉O計系統(tǒng)平臺，在專業(yè)內(nèi)實行了強制使用，作為氣動設計唯一使用的集成工具。該系統(tǒng)在使用中不斷發(fā)現(xiàn)問題、改進問題，同時根據(jù)技術的進步和需求的變化逐漸完善，進而使系統(tǒng)平臺建設進入充滿活力的良性循環(huán)。

壓氣機氣動設計系統(tǒng)平臺

壓氣機氣動設計系統(tǒng)平臺集成了設計所需的各類要素：流程、規(guī)范、軟件、數(shù)據(jù)庫等，支持壓氣機氣動設計的大部分工作。圖1給出了氣動設計系統(tǒng)平臺的界面和各項要素的集成情況。

圖1 壓氣機氣動設計系統(tǒng)界面

首先該系統(tǒng)是以客戶端/服務器（C/S）的模式運行，而不是采用瀏覽器/服務器（B/S）的網(wǎng)頁模式運行。C/S模式可以充分發(fā)揮客戶端的處理能力，減小服務器端的運行壓力，功能強大（如支持右鍵菜單），具有強大的本地數(shù)據(jù)處理能力，響應速度快，有可靠的安全性等優(yōu)勢；同時，由于該系統(tǒng)只在局域網(wǎng)內(nèi)運行，且只有壓氣機專業(yè)的設計人員使用，因此可以大幅度減弱C/S程序維護困難等劣勢。

其次，該系統(tǒng)從簡單實用出發(fā)考慮集成模式。在現(xiàn)階段暫不采用流程驅動模式，避免了流程不成熟引發(fā)的頻繁更改、卡滯等問題，進而提高系統(tǒng)的適應性。集成方式上也從簡單實用考慮，系統(tǒng)只集成常用的自主軟件，并沒有集成非自主的商業(yè)軟件，進而在集成方式上可以做到簡單易于實現(xiàn)。

圖2 流路修改

第三，該系統(tǒng)是基于服務器的運行模式，正如前面所說的C/S模式，不是單機版，每個用戶面對的界面只是一個客戶端。服務器管理著所有設計程序，通過客戶端調用這些程序并在客戶端上執(zhí)行，進而開展各項設計活動；客戶端可以處理本地數(shù)據(jù)，開展輸入數(shù)據(jù)的修改、輸出數(shù)據(jù)的查看等。因此，該系統(tǒng)實現(xiàn)了專業(yè)內(nèi)設計程序的統(tǒng)一管理，保證了設計工具的規(guī)范性和唯一性。

壓氣機氣動設計系統(tǒng)平臺在三級風扇設計中的應用

下面以一個三級風扇的S2流場設計為例，介紹利用氣動設計系統(tǒng)平臺開展風扇/壓氣機設計的過程。該三級風扇具有較高的負荷水平，各項指標要求高，設計難度較大，設計中參考以往型號的設計方案，依據(jù)設計流程開展設計。根據(jù)一維設計結果，參考模板文件，準備輸入文件。輸入文件可以通過文本編輯和界面編輯兩種方式查看。對文本格式較熟悉的用戶可以根據(jù)程序說明書直接在文本上修改數(shù)據(jù)。對于分布曲線類的數(shù)據(jù)，更適合利用界面來編輯。圖2顯示了對流路曲線的修改。在右鍵菜單里選擇“拖拽編輯”后，就可以直接點擊流路以及前尾緣的控制點進行調整；還可以通過雙擊控制點，在彈出的對話框中直接修改控制點坐標，進而更精確地控制流路。

圖3 靜子葉片出口角度分布曲線修改

圖4 界面數(shù)據(jù)的信息提示

這種拖拽編輯還應用于其他輸入曲線的數(shù)據(jù)調整，例如，各排轉子/靜子葉片的壓比、氣流角等的徑向分布曲線。在拖拽曲線時，坐標表格里的數(shù)字也會隨之改變，當然也可以更精確地直接修改表格內(nèi)的數(shù)字，然后通過右圖的曲線形狀判斷是否達到所需的分布形式，如圖3所示。

對于非曲線形式的輸入數(shù)據(jù)，在界面上除了參數(shù)框前面的說明外，還加入了浮動提示的功能，如圖4所示。打開浮動提示按鈕后，將鼠標移動到某個參數(shù)框處，會出現(xiàn)更詳細的要求或說明，對于有些參數(shù)還會給出建議的取值范圍。這些詳細的說明來自說明書、指導書及規(guī)范，是這些指導性文件更直接的一種應用方式。在設計過程中遇到問題時，還可以參考系統(tǒng)里集成的各類指導性文件，直接點擊打開查閱。

準備好輸入數(shù)據(jù)，就可以開展相應的設計計算。只需雙擊對應的設計程序，服務器上的計算程序就會在請求的客戶端上執(zhí)行，充分利用客戶端的計算資源，而不會占用服務器的計算資源。程序運行中的一些信息會在信息欄顯示。隨著設計技術的不斷進步和完善，一旦設計程序有更新，服務器端程序替換后，可以保證所有客戶端都能使用最新的程序，確保專業(yè)內(nèi)設計方法的統(tǒng)一規(guī)范。

圖5 流場計算輸出的界面曲線

程序計算結束后，可以查看結果文件。同樣也是可以通過文本編輯和界面控制兩種方式查看。文本方式給出了完整的輸出數(shù)據(jù)，界面方式則以曲線的形式給出各類參數(shù)的分布情況，如圖5所示。當然，也需要遵照規(guī)范、參考專家經(jīng)驗，對計算結果進行評判，并通過分析對設計輸入的相關參數(shù)進行調整，開展新一輪的計算。對于關鍵的設計活動，往往要經(jīng)歷上百輪的調整，獲得最佳的方案或者最合適的方案。

系統(tǒng)方案有固定的模塊結構，進而模塊間的數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)自動傳遞，上游程序的輸出可以直接為下游程序提供輸入。這種自動的數(shù)據(jù)傳遞使得采用系統(tǒng)平臺的設計過程變得完整統(tǒng)一，并大幅度提高了工作效率。除了自動的數(shù)據(jù)傳遞，系統(tǒng)還提供了接口程序NFTU，可以根據(jù)需要將設計數(shù)據(jù)轉換成對應的格式提供給商業(yè)軟件等程序及其他專業(yè)，例如，結構、強度等開展后面的設計和分析。這些自動化的處理過程可以徹底消除人為處理時可能產(chǎn)生的錯誤，保證數(shù)據(jù)處理的正確性。

通過設計系統(tǒng)的集成，設計工作的效率得到大幅度的提升，早期經(jīng)過測算表明，僅在S2流場計算數(shù)據(jù)前后處理方面就節(jié)省了40%以上的時間。

設計系統(tǒng)的不斷改進和完善

隨著需求的不斷提高以及技術的不斷進步，設計系統(tǒng)也在不斷發(fā)展和完善。在系統(tǒng)界面上，為了適應不斷地修改，更快捷地實現(xiàn)系統(tǒng)集成，在程序樹上設置了自建平臺，省去了信息化人員的參與，可以由設計專業(yè)的系統(tǒng)管理員直接在自建平臺上掛接新版本的設計程序，實現(xiàn)快速的集成和應用。同時，界面系統(tǒng)的升級也更新了曲線圖形的顯示，使得曲線和刻度更加清晰易于辨識。

新的設計技術也在系統(tǒng)上得到體現(xiàn)。例如，在葉片造型設計上，從早期的常規(guī)葉型，已增加了多種可控擴散葉型的造型手段，實現(xiàn)了橢圓形前緣的設計，完善了可變彎度導向器的設計程序。并且，根據(jù)高負荷風扇/壓氣機設計的需要，增加了大小葉片、串列葉片等新的設計技術。

設計系統(tǒng)平臺未來的建設方向

隨著“以信息化促進工業(yè)化”的國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略的深入推進，隨著中國航發(fā)集團AEOS工程的深化開展，設計體系建設越來越得到重視并進入快速發(fā)展階段。同時，隨著信息化技術水平的不斷提高，設計系統(tǒng)的能力也將得到大幅度的提升。

從當前大數(shù)據(jù)時代的信息化發(fā)展方向來看，未來的設計系統(tǒng)將會朝著系統(tǒng)化、知識化、智能化的方向發(fā)展。系統(tǒng)化是指從當前以部件或專業(yè)為主的設計系統(tǒng)發(fā)展成為從整個發(fā)動機全局出發(fā)，完整考慮跨專業(yè)協(xié)同設計，考慮從設計到加工、保障等全流程設計，建立統(tǒng)籌全局的完整的航空發(fā)動機和燃氣輪機研發(fā)系統(tǒng)。知識化是指設計過程中知識輔助的能力大幅提高，將以往在設計、排故中總結出的經(jīng)驗等隱形知識進行顯性化，能夠在設計中通過推送等形式支持設計，進而保證設計質量，提高設計成功的可行性。智能化是指未來設計中人工智能的成分會越來越多，在大數(shù)據(jù)的支持下，通過數(shù)據(jù)挖掘、總結和提煉，形成智能化代理模型，進而實現(xiàn)發(fā)動機的多學科設計優(yōu)化，并在專家的逐漸介入修正中，通過機器學習，進而實現(xiàn)發(fā)動機的智能化設計。

因此，為了適應航空發(fā)動機行業(yè)設計信息化的發(fā)展，需要盡快開展以下一些工作。

圖6 涵蓋全生命周期及各專業(yè)的研發(fā)數(shù)據(jù)庫架構

首先是需要建立統(tǒng)一的設計數(shù)據(jù)庫。大數(shù)據(jù)的積累是未來設計系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)化、知識化、智能化的基礎。所建立的設計數(shù)據(jù)庫需涵蓋發(fā)動機研制的全生命周期，覆蓋設計的各個專業(yè)，包含各類設計的過程數(shù)據(jù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)，可能涉及多種類型的數(shù)據(jù)文件。初步的架構設計（見圖6）及數(shù)據(jù)組織模式可以按如下思路開展。數(shù)據(jù)庫按照項目全生命周期進行組織，從整機方案，分解到部件及專業(yè)，按照設計活動組織不同設計模塊的數(shù)據(jù)，同時還可以建立與相關其他專業(yè)的聯(lián)系。數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結構可以采用基于XML類型的自解析形式，同時保存原始文件。XML格式數(shù)據(jù)的自解析優(yōu)勢有利于不同類型數(shù)據(jù)文件的統(tǒng)一管理，并可以清晰地表達從數(shù)據(jù)庫頂層一直到底層數(shù)據(jù)的詳細結構。統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的建立，不僅要包含氣動專業(yè)程序產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，還要包含結構設計的關鍵參數(shù)，進而有利于各類經(jīng)驗的顯性化和經(jīng)驗總結。數(shù)據(jù)庫應作為唯一數(shù)據(jù)源實現(xiàn)專業(yè)間的協(xié)同設計，作為積累各類數(shù)據(jù)的平臺將設計與生產(chǎn)、保障聯(lián)系在一起，為未來數(shù)字孿生的建立打下基礎。

其次，不斷完善集成設計系統(tǒng)平臺。集成設計平臺作為設計員直接面對的設計工具，在設計中將發(fā)揮越來越重要的作用。系統(tǒng)平臺的作用是將各類數(shù)據(jù)庫、知識、資源等與設計員連接在一起。未來系統(tǒng)平臺的特征體現(xiàn)在：自動化程度大幅度提高，知識化推送能力增強，規(guī)范化的軟件版本管理，個性化的配置風格，簡易化的平臺改進模式。設計流程中，成熟的設計活動或模塊、數(shù)據(jù)轉換等能自動化處理的，均應實現(xiàn)自動化；設計過程中，根據(jù)所開展的工作，系統(tǒng)可自動推送相關知識點，包含規(guī)范、指導書（含設計檢查單、以往故障）等，輔助設計活動順利開展；新的設計按要求使用最新版本的程序，早期的方案也可通過調用早期版本程序實現(xiàn)復現(xiàn)，各版程序得到有效控制；設計系統(tǒng)的界面配置等可根據(jù)用戶當前設計階段、模塊按照用戶需求進行個性化調整，進而提高工作效率；系統(tǒng)具備特別簡易的改進模式，小的改動不需要信息化專業(yè)人員的參與，可由設計專業(yè)管理員利用簡單的工具完成，使得系統(tǒng)長期保持活力。

最后，開展智能化多學科設計優(yōu)化技術研究。設計智能化也許不再遙遠，對于復雜的航空發(fā)動機設計，也許會在某些小的設計活動中成為現(xiàn)實。在不遠的將來，從系統(tǒng)級角度出發(fā)，借助大數(shù)據(jù)支持，在專家系統(tǒng)的參與和不斷完善下，多學科設計優(yōu)化可能會發(fā)揮出越來越大的效果，進而從系統(tǒng)層面實現(xiàn)發(fā)動機性能水平的綜合最優(yōu)。

結束語

本文介紹了中國航發(fā)動力所壓氣機設計體系建設情況，重點描述了氣動設計系統(tǒng)集成平臺的特點，并以三級風扇設計為例介紹了系統(tǒng)平臺的應用情況，最后論述了設計系統(tǒng)未來的發(fā)展方向，結論如下：第一，設計體系是研究所核心設計能力的集中體現(xiàn)，應該堅持邊建邊用，邊用邊完善的原則；第二，壓氣機專業(yè)氣動設計系統(tǒng)平臺建成后得到了很好的應用，并在風扇壓氣機設計中發(fā)揮了重要的作用，提高了工作效率，保障了設計的規(guī)范性；第三，未來的設計系統(tǒng)將朝著系統(tǒng)化、知識化、智能化的方向發(fā)展，應盡快著手在數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)平臺、智能化設計等方向開展研究。