高性能计算助力航空装备研制

沈阳飞机设计研究所 丁三军

数字化和信息技术促使全球的技术、产业、经济和社会发生颠覆性的变革。继理论科学和实验科学之后，高性能计算（HPC）逐渐成为科技创新的第三种重要手段，是当今国家之间科技竞争的战略制高点，从航空装备领域来看，高性能计算是现代航空科技创新过程中最具代表性的基础手段和能力，也是一个研发设计单位的综合研发和创新实力的重要体现。

伴随着计算机技术的飞速发展，利用数值计算分析和建模技术，进行快速设计、优化和仿真验证，再进行地面物理试验和飞行试验的新型迭代过程，逐渐成为标准的现代飞行器设计的主要方法。高性能计算可以更快地获得更复杂问题的解决方案、更精确的数值计算结果以改进飞行器性能，缩短新产品开发周期、降低先进技术的应用风险和新产品开发的总体成本。

目前HPC在航空飞行器设计中主要集中在CAE仿真计算应用领域，包括有限元分析、流体动力学、电磁学、液压、隐身等学科，涉及数十种商品化软件及工程类自研软件。由于仿真手段在现代飞机设计过程中所占比重越来越大，从早期仿制为主仅进行少量小规模的计算辅助验证到现在新一代飞机设计中80%以上的设计需要和要求使用高效准确的数字仿真、分析来加快飞机研制进度，减少试验状态和成本，这一趋势的形成是得益于CAE仿真技术的日益成熟，大规模的仿真计算结果精度已经能够满足工程使用需求，仿真计算获得数据的效率将远远快于试验手段。目前在飞行器设计中的强度、隐身、机电燃油动力等专业分析网格已经达到数千万级网格规模，气动力、电磁兼容已经到亿万级网格，因此需要至少百万亿次以上规模的高性能计算条件才能满足业务需要，部分工况甚至需要千万亿次计算规模。但目前在航空各设计单位具备的HPC计算能力与飞速发展的业务能力需求还存在严重的不匹配，主要表现在HPC计算规模严重不足，行业内没有实现有效资源共享；工程分析软件对国外依赖度过高，投资负担较重；自主软件的能力不强，资源利用率不高等问题，极大削弱了CAE在航空装备研发领域发挥的能力。

高性能计算本身是一个跨学科、高投入的项目，如何合理有效配置资源就显得尤其重要。由于部分航空产品研制项目的特殊性，不能直接使用社会开放的高性能计算资源，在十三五规划中，中航工业从行业角度出发，提出了加快高性能资源建设目标，具体依托金航网，扩充建设集团级千万亿次以上计算能力，整合全集团范围内的计算资源，构建以集团计算中心为核心、以厂所计算中心为辅助的高性能计算云，实现关键计算资源全集团共享和服务，提高全行业高性能计算能力和整体创新能力。这一模式将会在一定程度上缓解目前遇到的规模和资源有效利用的问题。同时也希望国家在有关高性能计算项目的支持中，在高性能计算环境软硬件的投资占比、工程应用软件升级补充、自主工业软件研发等方面予以有效扶持，关注高性能计算在装备研制领域的应用模式等。