韓志斌 韓波 王波

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)復(fù)制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)生產(chǎn)、飛機(jī)裝配、飛機(jī)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用可以提高飛機(jī)裝配質(zhì)量，降低飛機(jī)產(chǎn)品的成本。本文就此展開了研究。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)；飛機(jī)工藝；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：V260.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）32-0263-01

前 言

自21世紀(jì)初以來，基于高性能計(jì)算機(jī)科學(xué)得到了長足的發(fā)展，并已應(yīng)用于航空航天、地震預(yù)報(bào)、核爆炸仿真等許多工業(yè)領(lǐng)域，是衡量企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)科技水平的重要標(biāo)志，也是檢驗(yàn)一個(gè)國家的高水平技術(shù)能力的試金石。高性能計(jì)算是未來高精度數(shù)值模擬和數(shù)值實(shí)驗(yàn)的基本要求。它的基礎(chǔ)是并行計(jì)算機(jī)的硬件和運(yùn)行在其上的高性能計(jì)算軟件，兩者都是不可缺少的。隨著天河系列、曙光系列等高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展，中國在高性能計(jì)算硬件的研究和制造方面已達(dá)到國際先進(jìn)水平。

1 計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

首先在飛機(jī)生產(chǎn)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)與其他的技術(shù)相比，能夠更加符合飛機(jī)生產(chǎn)的需要。雖然使用這項(xiàng)技術(shù)時(shí)所產(chǎn)生的成本會(huì)比較高，操作起來也具有一定的難度，但是使用的周期比較長，應(yīng)用范圍也比較廣泛。從整個(gè)飛機(jī)裝配的周期成本來進(jìn)行計(jì)算的話，反而會(huì)在最大程度上節(jié)約成本，將一些不必要的開支節(jié)省出來。其次將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)械和電氣控制系統(tǒng)中能夠創(chuàng)造出一套更加完整的數(shù)字化裝配系統(tǒng)，在整個(gè)裝配過程中，我們只需要通過計(jì)算機(jī)來發(fā)出指令，然后讓計(jì)算機(jī)的內(nèi)部軟件程序?qū)χ噶钸M(jìn)行執(zhí)行就可以了，最后再對(duì)獲得的結(jié)論進(jìn)行分析，就能夠很容易的實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)機(jī)電結(jié)構(gòu)的總體控制，進(jìn)而提高飛機(jī)的裝配機(jī)率。最后計(jì)算機(jī)技術(shù)具備對(duì)大型測量工件進(jìn)行測量的能力，在這一點(diǎn)上彌補(bǔ)了對(duì)傳統(tǒng)大型化裝配測量的空白，它能夠?qū)Ξ?dāng)前飛機(jī)不斷變化的尺寸進(jìn)行測量，具有一定的實(shí)際意義。除此之外，使用計(jì)算機(jī)技術(shù)能夠完成比較復(fù)雜的形位測量任務(wù)，讓飛機(jī)零件的外形不再受限制，可以說是實(shí)現(xiàn)了高難度的裝配工作。同時(shí)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測量，可以對(duì)多目標(biāo)點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行測量和反饋，提高測量效率。

2 計(jì)算機(jī)輔助飛機(jī)工藝裝備協(xié)調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化平臺(tái)簡介

航空結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與優(yōu)化系統(tǒng)HAJIF是中國航空工業(yè)所研制的最全面的CAE軟件系統(tǒng)?；趶?qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，該系統(tǒng)提供了飛機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、氣動(dòng)彈性分析和熱分析等功能。該系統(tǒng)提供了圖形前后置功能，并集成了航空特征模塊，如自動(dòng)快速建模、截面剛度計(jì)算和細(xì)節(jié)強(qiáng)度分析等模塊。系統(tǒng)采用先進(jìn)的開放、可擴(kuò)展的軟件體系結(jié)構(gòu)，方便用戶進(jìn)行定制開發(fā)和服務(wù)?；痉治瞿K包括線性靜力分析、模態(tài)分析和線性屈曲分析。它支持33種結(jié)構(gòu)元素和非結(jié)構(gòu)元素，它可滿足航天結(jié)構(gòu)常用分析的需要，可解決1000萬自由度結(jié)構(gòu)的靜力分析、動(dòng)力固有特性分析、瞬態(tài)動(dòng)力分析、屈曲模態(tài)分析和屈曲分析、臨界載荷分析等。優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊包括全應(yīng)力/滿應(yīng)變結(jié)構(gòu)優(yōu)化的準(zhǔn)則方法。進(jìn)行了廣義位移、自振頻率、顫振速度、機(jī)翼效率和發(fā)散速度的大規(guī)模變靈敏度計(jì)算，主要考慮了結(jié)構(gòu)的靜力、動(dòng)態(tài)、顫振和彈性的多方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)機(jī)身、機(jī)翼、尾翼等典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化。該系統(tǒng)支持大規(guī)模并行結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，已通過中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所10萬億次計(jì)算中心和中國航空研究所100TFlops高性能計(jì)算中心的驗(yàn)證。

2.2 基于最大航程的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)突破

為滿足實(shí)際飛機(jī)設(shè)計(jì)需要，以飛機(jī)總體性能為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，基于氣動(dòng)結(jié)構(gòu)多學(xué)科綜合優(yōu)化技術(shù)，建立了相應(yīng)的工作流程，并進(jìn)行了綜合優(yōu)化。采用基于工程的集成優(yōu)化方法，在系統(tǒng)級(jí)和學(xué)科級(jí)采用兩級(jí)優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)10萬個(gè)設(shè)計(jì)變量的綜合優(yōu)化，解決復(fù)雜過程中各學(xué)科模型之間的數(shù)據(jù)交換和管理，提出了突破氣動(dòng)力和結(jié)構(gòu)耦合框架的計(jì)算方法，采用了具有較高并行度的人工智能算法。針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)多學(xué)科優(yōu)化過程的快速建模和工作流引擎的生成，采用分層多模型驅(qū)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)計(jì)算。對(duì)于亞音速和高亞音速氣動(dòng)設(shè)計(jì)，為了獲得最大的升阻比，機(jī)翼的氣動(dòng)分布必須滿足橢圓分布。然而，對(duì)于飛行器設(shè)計(jì)來說，優(yōu)化的最終目標(biāo)不是最大的升阻比，而是能夠反映飛行器總體性能的目標(biāo)函數(shù)。噴氣式客機(jī)的布雷蓋航程公式為：

式（1）表示飛機(jī)設(shè)計(jì)中阻力與飛機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量之間的取舍關(guān)系。如果考慮空氣動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，巡航范圍增加，而飛機(jī)的總質(zhì)量保持不變。這種分布可以減小翼根的力矩，降低結(jié)構(gòu)的重量。在巡航工況下，增大升阻比和減小結(jié)構(gòu)重量可以最大限度地提高巡航范圍。

2.3 復(fù)合材料機(jī)翼精細(xì)化模型綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的組合翼箱布局，沿展布若干根肋，前后布置兩根梁，有限元分析模型總計(jì)80000。在優(yōu)化模型中，有大約11萬個(gè)設(shè)計(jì)變量（復(fù)合材料分層板厚度、等效金屬桿面積等）和150萬個(gè)約束條件（強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、桁架與蒙皮面積比、蒙皮厚度連續(xù)性等）。建立了該模型的靈敏度計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，設(shè)計(jì)變量為復(fù)合材料蒙皮的分層厚度。根據(jù)非平衡設(shè)計(jì)，在每個(gè)屬性區(qū)域選取4個(gè)變量，從機(jī)翼中部到機(jī)翼以8個(gè)節(jié)點(diǎn)的垂直弦平面位移為靈敏度計(jì)算約束。從預(yù)處理到靈敏度計(jì)算結(jié)束，共用74545s，其中靈敏度計(jì)算部分74350s占總時(shí)間的99.7%，與單核相比，計(jì)算效率大大提高。

3 結(jié)束語

我國通過關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)技術(shù)與飛機(jī)工藝設(shè)計(jì)的完美結(jié)合，必將大幅度降低飛機(jī)研制經(jīng)費(fèi)，縮短研制周期，順應(yīng)綠色航空和低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展潮流，同時(shí)對(duì)我國縮短與西方先進(jìn)飛機(jī)設(shè)計(jì)水平的差距具有重大的意義。

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收稿日期：2018-9-19