基于服务的高性能多学科优化计算在飞机设计中的应用

中航飞机研发中心结构所 李 灼 耿雅轩 王 健

基于服务的高性能多学科优化计算在飞机设计中的应用

中航飞机研发中心结构所 李 灼 耿雅轩 王 健

多学科设计优化是一种充分探索子系统相互作用的复杂系统设计的方法论，其利用各个学科（即子系统）之间相互作用而产生的协同效应，让整个系统计算出最优解。本文简要说明了该技术在基于服务（SOA构架）的飞机设计中所涉及的应用层面，并以BRIDGE项目为实例介绍该应用。

多学科设计；最优解；飞机设计；SOA构架；BRIDGE项目

前言

随着社会发展和科学技术的进步,传统的设计方法己逐渐暴露其局限性,己不能满足当今社会发展的需求,而高性能多学科优化计算的方法能在最大限度上弥补其不足。就飞机设计而言,从单一的硬件设施到复杂的软件系统,每个部分看似独立却又紧密相关,让他们高性能的结合到飞机设计中的方法,势必是多学科优化计算。

1 飞机设计的主要阶段及其优化问题

1.1 指标拟定和可行性论证

我们根据飞机的不同用途,对指标和技术要求进行相关分析。一般分为军用飞机(由军方提出)和民用飞机(根据国民经济情况、交通运输结构、航线的类别和需求、国家的工业基础和技术水平等方面综合考虑)两类。飞机的设计指标和技术要求主要包括：用途、载客量或装载量、航程、航速、机场情况、可能采用的发动机和机载设备、可靠性、经济指标、维修性和使用维护的条件等等。

该阶段也被称为任务定义阶段,主要定义系统的各项指标。为了保障该阶段决策任务指标的准确性,引用设计优化就显得非常有效和重要。设计优化的计算方法,可以将指标进行最优分配。

1.2 方案设计

方案设计包括初步确定飞机的类型以及外形、主要参数的设计、部件的几何尺寸、结构型式及重量;初步选择所需要的设备、动力装置等;初步拟定符合飞机剖面要求的不同航迹的操纵方案等等。此阶段要绘制出飞机的三面草图和总体布置草图,以进一步论证飞机技术要求的可行性和经济效益。

该阶段也可以叫做概念设计阶段,通过反复、周密的权衡来形成一些基本的外形,期间也可以通过设计者的直觉和个人经验来构建一个初始外形,接着依据这些信息进行参数研究,从而检验设计的各项指标是否合理。该阶段的设计主要依赖的是设计者的个人经验,如果采用优化设计的方法,必定能使设计结果的可实行性最优化。

1.3 打样设计

在进行设计时需要确定飞机各部件之间的结构受力形式及相互连接关系,进行部位安排和重心定位,绘制各部件结构打样图,以进一步确定几何尺寸、重量及动力装置参数,完成系统功能计算、强度计算、气度计算、气动弹性计算、飞行性能及操纵性稳定性计算等;进行部件及全机的吹风实验、系统功能试验和新结构新材料的试验,制出结构打样图、正式的飞机三面图,进行总体布置图和重心、重量的定位计算,提出各部件及各个系统的设计任务书、发动机安装设计任务书和重量分配指标。该设计阶段中,需制造木质样机,以便审查方案并为辅助设计创造条件。

该阶段的目标是为了使上阶段制定的方案更加精确,不仅对设计结果外形进行更加详细的描述,还对上阶段作出的基准设计进行更多的细节分析,即用科学的方法同时对多个学科设计进行分析。由于缺乏建立迭代循环的特定体系,该阶段的并行性常常会导致各学科设计组的不一致。该阶段设计者需要作出更多更重要的选择和决策,那么引入优化设计对计算效率及设计结果有着极为重大的影响。

1.4 工作设计

根据以上确定的方案以及打样的结果,完成零件制造,制作部件、系统、全机装配的工作图纸,提供生产、验收的技术文件,包括计算零部件的刚度、强度、颤振和重量,计算飞机气动性能以及各系统性能,进行结构的静、动强度和疲劳试验以及特种设备和各系统的台架试验,还需要试制原型机并制定其试飞大纲。

该阶段是设计的最后阶段,主要是对细节性的东西加以注意,并进行更多的复杂分析。比如进行某部件的结构优化,可以在更大程度上减轻结构重量。当然,这些局部的优化是不会对飞机整体性能产生本质的影响。

由此我们可以看出,实现飞机的综合优化设计也并不容易,大量的变量和各种现实环境条件的约束,让飞机的整体综合设计存在更多的挑战。因此,不论是在飞机设计的哪一个环节,优化设计占着举足轻重的最用。

2 SOA构架

定义：面向服务的体系结构,是一个组件模型,它将应用程序的不同功能单元(称为服务)通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来。接口是采用中立的方式,它独立于实现服务的编程语言、硬件平台和操作系统。这使得构建在各种这样的系统中的服务可以一种统一和通用的方式进行交互。

SOA体系结构提供的方法可以构建分布式系统,从而将应用程序功能作为服务提供给终端用户。其组成元素可为两个部分,一个是集中于体系结构的功能性方面,另一个是集中于体系结构的服务质量方面。

SOA的目标是让IT系统变得更有弹性,从而更加符合不同使用者的自身发展。采用SOA来构建信息平台,无疑是未来的发展方向。

所以,以SOA(服务)为基础的多学科飞机设计,不仅能在软件系统平台上满足设计的需求,还能通过这样的架构方式实现多方信息的一体化,从来提高各项飞机设计的软性需求。

3 实例应用

本文是以BRIDGE项目为实例做简要分析。具体如下：

BRIDGE是一个为期三年、投入资金1040万美元的大型项目,是欧盟第6次研究和技术开发框架项目计划(FP6)的组成部分。由GSI领头,其中参与者包括行业人士和研究机构人员。

该项目对于飞机的设计应用主要体在现在对机场环境的要求上。最为明显的表现是机场的噪声污染,而追究其根源,则主要是因为飞机的起落架和襟翼产生的噪音。那么如何在保障飞机飞行质量的前提下,降低飞机襟翼着陆所产生的噪音?这成为了飞机设计中的一个多学科优化设计的目标。

该目标的实现可以通过优化着陆襟翼的位置来降低噪音,保持升力不变或略微提高。而襟翼位置的改变,又将涉及到空气动力和结构变形的多学科的优化问题。在不改变飞机设计本质的前提下,将不同学科进行优化,能更有效地提高飞机本身的效用。

该项目的成功还为我国网络平台提供了借鉴以及技术支持,以航空为发展目标的基于SOA的多学科优化系统在中欧网络平台上通过长期稳定运行得到了验证。

4 总结

综上所述,基于SOA的多学科优化设计不仅能利用各个学科(子系统)之间的相互作用所产生的协同效应,来获取系统的最优解,还能在实践上实现并行设计、缩短设计周期,从而使设计出的实物会更符合飞机设计的应用。

它的存在合理的平衡了在飞机复杂设计中的一些相互冲突的技术问题以及经济要求,充分体现了并行思维,考虑到所有设计学科中交叉影响的部分,进而对其进行优化,在提高了设计质量的同时,也节约了飞机的设计成本。

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