航空结构大规模并行分析与优化应用

李灼 王健

摘 要 随着现代科技的飞速发展，应用现代的工艺技术所生产的产品也日益复杂，这就使得人们对于高性能计算的需求越来越高。而利用数字化设计模型来进行数据分析，已经成为当下的发展趋势。作为航空界来说，飞机的精细化模型也越来越受到数字化设计的影响。因此，本文围绕着航空结构并行环境下进行结构分析以及优化等多个问题进行了简要分析，期望能够更好地利用高性能的计算机体系来提高航空结构的计算精准度。

关键词 航空结构;大规模并行;结构变量;优化设计

前言

自从进入21世纪，计算机科学得到了飞速的发展，而高性能计算机作为计算机科学的基础，也得到了飞速的发展。他们在航空航天，地震预测等许多工业领域都取得了更好的应用效果。就目前而讲高性能计算机的使用水平，已经能够成为衡量一个企业或者是科研机构科技水平的重要因素。它在很大程度上能够表达一个企业或者是研究机构的科研能力。而高性能计算机，它的基础是计算机硬件以及软件，二者缺一不可，因此，本文对其进行了简要分析。

1航空结构大规模并行的现状分析

1.1 满足高性能计算机的区域分解并行计算

在进行航空结构的计算过程当中，并行计算方法一般都遵循两个原则，一种是重构，一种是分而治之。可以根据不同的计算要求和计算特点，选择不同的计算方法，在结构并行分析的技术上，也可以将其进行分类，一种是算法的并行有限分析技术，一种是子结构级的并行有线分析技术。在这两种分析技术的选择过程当中，可以根据结构的不同和分析过程的缓解不同，也就是不同的计算特点来进行区分[1]。

1.2 结构非线性振动特性的求解技术分析

在进行机翼变形分析的情况下，传统的位移和应变关系，这种基本假设已经不再适应大展弦比的机翼情况，所以说应该对其进行大应变理论的假设。也就是说，在求解结构时，发现切线刚度矩阵时应该以非线性方程的求解方法来进行求解。这样就能够得到大变形下的切线刚度矩阵，然后对该矩阵进行求解结构的分析，根据不同的结构特点来选取不同的非线性振动特性的计算。在进行计算的过程当中，可以分为所有工况下的变形以及非线性振动特性。

2航空结构大规模并行的优化措施分析

2.1 结构分析的平台简介

对航空结构进行强度分析与优化，是由中航工业强度所研究出来的，为了能够更好地推进国内航空界的各项功能的一种软件系统。它在运行过程当中，主要是以高强度的实验数据作为根本，然后为航空系统提供相应的技术分析以及优化设计，以便能够促进航空系统的技能优化。在系统提出功能的改进过程当中，可以将其分为自动快速建模切面刚度计算细节强度分析等多个航空优化设计模块。系统则采用更为先进科学的技术来进行软件的架构，将各项数据进行填充，方便航空机构能够更好地为用户提供个性化的服务。在进行基础数据分析的过程当中，主要是对线性静力，模态以及线性屈曲三方面进行数据分析，以满足这些数据对航空结构的需求[2]。

2.2 基于最大航程的气动结构综合优化设计

为了能够促进航空结构更好地满足真正的飞机需求，应该对飞机的整体性能进行目标设定。在保证气动结构优化科学的前提下，进行综合技术优化，建立相对科学合理的工艺流程。当然，在这个过程当中，还应该以工程综合优化方法为基础，采用系统以及学科两方面的技术来进行综合优化，实现设计过程当中的优化需求。对于复杂流程当中的各项模型数据，也应该进行严格管理，突破传统的外形设计计算方法，采用人工智能的方法进行计算，以便能够更好地保证计算结果的准确性。而对于复杂系统的优化流程来说，应该进行快速建模，保证工作流引擎生成问题，不会成为结构优化的阻碍，在这个过程当中，也可以采用多模型，分层次驱动的体系来进行架构完善[3]。

2.3 复合材料机翼精细化模型综合优化设计

为了能够更好地得到优化，往往采用全复合材料来进行记忆的模型构建。在进行模型构建的过程当中，多使用若干根肋来进行前后布置，设置两根大梁。在这种情况下，往往有限元分析模型上有八万个单元，为了能够对模型进行优化设计，可以将设计变量增多，达到11万个。而约束则有150万个，主要是对强度、刚度以及稳定性来进行约束。在这种新的有限元模型上进行深度计算以及模型的优化，主要是对复合材料的蒙皮分层厚度进行优化，按照非均衡的设计原则，将每个属性的区分为四个变量，然后在机翼的尾部取八个节点，作为垂直弦平面方位位移的计算约束。在进行优化过程当中，可以对比度计算的时间进行优化，采用这种求解方式，并行求解比单核求解的计算效率要高得多[4]。

3结束语

根据以上叙述内容，可知在进行航空结构大规模的优化过程当中，引入区域分解法来进行结构的并行求解，可以很好地提高求解效率，当然，这也为精细化结构分析模型的设计奠定了良好的基础。总之，采用区域分解法进行航空结构的并行求解，可以更好地引入灵敏度分析，以及数据组织结构等多项技术，提高计算效率，实现计算变量的高敏度求解。这对于航空结构的大规模并行及结构优化都有着非常好的效果，可以使得我国航空结构规模得到更好的发展。

参考文献

[1] 刘小川，王彬文，白春玉，等.航空结构冲击动力学技术的发展与展望[J].航空科学技术，2020，31（3）：1-14.

[2] 郭瑜超，聶小华，张生贵，等.航空结构仿真与试验应变一致性评估方法[J].机械强度，2020，42（1）：246-250.

[3] 王晓辉.航空结构分析有限元后处理系统的关键模块技术研究[C]. 中国航空学会.2019年（第四届）中国航空科学技术大会论文集.中国航空学会：中国航空学会，2019：369-374.

[4] 周江涛，刘丽华，俞鸿均，等.浅谈航空结构件闭角特征设计对加工及质量影响[J].机械设计，2019，36（S1）：272-275.