多學科設計優化技術在飛機設計中的應用初探

唐小潔 李元林 吳貽君

1四川大學錦江學院機械工程系，四川彭山 620860

2安世亞太科技（北京）有限公司，北京 100026

多學科設計優化技術在飛機設計中的應用初探

唐小潔1李元林2吳貽君2

1四川大學錦江學院機械工程系，四川彭山 620860

2安世亞太科技（北京）有限公司，北京 100026

多學科設計優化技術在當今世界的工業設計領域得到了廣泛的應用和發展。文章對多學科設計優化概念的產生、演變、發展以及國內外多學科設計優化技術的應用現狀進行了綜述分析，針對飛機設計中存在的學科眾多、多學科高度耦合、難以全面優化等問題，提出了飛機總體多學科設計優化集成平臺的構建邏輯和技術路線，對過程集成、設計探索等技術進行了分析闡述，并運用該集成平臺在飛機總體設計中進行了初步的嘗試和探索，取得較好的驗證效果。最后展望了該設計集成平臺的應用前景。

多學科設計優化；飛機設計；過程集成；設計探索

引言

多學科設計優化（Multidisciplinary Design Optimization，MDO）是一種解決大型復雜工程系統設計過程中耦合與權衡問題，同時對整個工程進行綜合優化設計的有效方法[1]。它利用計算機網絡技術集成各個學科（子系統）的知識，應用有效的設計優化策略，組織和管理設計過程，充分利用子系統之間相互作用產生的協同效應，獲得系統的整體最優解。

多學科設計優化的概念于80年代形成，美國NASA和AIAA十五年前就成立了專門的技術委員會來推動多學科設計優化技術應用和深入研究。在美國、歐洲政府部門的推動下，MDO技術被大量應用于國外各大航空航天機構的新型飛行器設計中，包括NASA主持的著名的新一代超音速民機項目HSCT，新一代可重復使用空間飛行器設計環境（A E E）項目，歐盟的分布式推進器翼身融合民機（B W B）項目，波音公司開發的基于高精度分析模型的飛機MDOPT系統，洛克希德公司研制的飛機快速概念RCD系統等等。而另一個航空強國俄羅斯，也在上世紀70年代就采用了“多準則設計”來進行航天領域的總體設計，該方法與美歐提出的MDO技術相似。

在國內，MDO的研究從上世紀90年代中期開始，從跟蹤國外研究情況到吸收應用，取得了一定的進展。前期研究工作主要集中在航空航天類高校，如南航[2]、西北工業大學[3]、國防科大[4]和北航[5]等高校在飛機、導彈、衛星等飛行器的MDO研究方面均取得了滿意的結果。近年來，隨著研究的深入，MDO也引起了工業界的重視，在航空航天、軍工、汽車、船舶等行業得到了應用，并且在未來具有廣泛的應用前景。如國內的航空航天及軍工研究單位、汽車廠商均采購和開發了相關的MDO產品，應用到自己的設計過程中。總之，國內各行業領域，尤其是航空航天業對MDO技術的研究方興未艾，并且技術優勢逐漸在產品設計中體現出來。

1 飛機多學科設計優化應用現狀

飛機設計是一種復雜的工程系統，涉及多種學科領域，如空氣動力學、結構強度、航空發動機、自動控制、電子技術、材料及工藝等，特別需要各方面的綜合協調，除豐富的科學技術和實踐經驗外，還需要大量復雜的設計、仿真及優化。好的飛機設計方案，必然是在對其各專業、各子系統進行了綜合、協調和多學科優化之后才能產生。

以飛機為代表的復雜產品制造業是國民經濟和國家安全的重要基礎，是綜合國力的體現，是國民經濟的重要組成部分，是國防現代化的基礎和國家安全的保障，對國民經濟其他領域具有強有力的帶動和輻射作用。由于飛機的研究發展和設計制造時間長、耗資巨大，使用和維護費用高，因此世界各主要工業國家都非常重視發展以飛機多學科設計為代表的先進研發技術，把對飛機多學科設計的研究納入國家或跨國重要發展計劃，開展了大量研究和工業應用，取得了許多重要進展和應用成果，如：美國航天航空局的智能綜合環境（ISE）、美國的聯合攻擊戰斗機（J S F）項目所建立的集成仿真環境（S A V E）、德國“生產2000”計劃等。在飛機多學科設計優化方面，波音777和空客A380的成功研制是這一領域發展的里程碑。這些大型標志性的研究項目對推動多學科設計優化的方法、技術、平臺和工程實踐的發展起到了重要作用。

長期以來，我國飛機設計領域一直非常重視多學科優化設計，在氣動布局、氣動外形、減重、飛控、性能權衡等方面做了大量的研究，取得了寶貴的理論和實踐成果，但在飛機多學科協同優化設計方面的自動化程度仍不高。飛機設計的整個反復迭代優化設計循環過程還主要依賴于設計人員通過手動修改設計參數并調用響應的仿真分析工具完成飛機各總體性能的計算以及性能目標的評價，致使反復迭代優化設計過程效率低、周期長、容易出錯。飛機多學科協同優化設計自動化程度不高的主要原因：一是缺乏高度集成的分布式多學科協同優化環境；二是缺乏優化設計自動化所必需的各仿真工具和計算機硬件封裝集成與管理手段；三是缺乏成熟的高效求解飛機復雜、大尺度多學科優化設計的優化策略和結果后處理工具。

2 飛機總體多學科優化設計技術探索

2.1 飛機總體多學科優化設計

飛機總體設計需要對飛機的各種設計要求和各個專業進行綜合、協調，在多學科優化設計的需求方面特別明顯。

飛機總體設計是在使用方提出特定設計要求的條件下，設計人員應用氣動、結構、動力、材料、工藝等學科知識，通過分析、綜合和創造性思維確定飛機布局形式和總體設計參數，經過計算、分析、修正，使所設計出來的飛機以優良的性能，最大限度地滿足使用方的要求[6]。飛機總體設計工作中的失誤，不僅會對以后的設計工作產生不利的影響、在時間上和經濟上造成浪費，而且往往會直接影響研制工作的成敗。因此，飛機總體設計是飛機研制過程中最為重要的一個階段。飛機總體設計過程中總體參數優化設計流程[6]見圖1：

圖1 飛機總體參數優化流程

由此可以看出飛機總體設計是一個多學科參與、多參數輸入、多目標尋優的復雜設計過程?；谏鲜鰧︼w機總體設計過程的分析，結合調研考察，我們發現目前飛機設計的難點在于：學科及工具眾多，并且分散在不同的專業科室，難以集成；優化參數眾多，多目標尋優，難以構建全面優化模型；目前人為傳遞參數和數據導致效率低下，而且容易出錯。因此急需構建多學科統一集成框架平臺，實現工具、參數、數據和優化流程等的統一化、規范化管理集成，提高飛機設計效率。

2.2 飛機總體多學科集成平臺構建技術

基于成熟軟件框架，實現多學科工具集成，同時將設計優化流程清晰的定義在平臺中，自動建立好多學科參數之間的關聯，通過代理模型的建立，調用平臺中集成的各種優化算法進行優化計算。如圖2所示是對飛機總體多學科設計集成平臺提出的初步構建邏輯。

圖2 飛機總體多學科設計集成平臺設計邏輯

基于上述設計邏輯，并基于成熟MDO軟件提出了平臺構建邏輯，必須包括如下功能模塊：

分析服務器：用于封裝應用軟件和程序，且提供計算機軟硬件資源；

集成優化客戶端：用于搭建設計流程并集成相關應用組件，進行快速分析和優化。

并行計算服務器：用于為優化設計流程提供基于web的網格計算服務和數據管理。同時實現計算機資源管理及知識共享重用。

設計探索工具：提供各種設計優化工具包，比如有試驗設計工具包、D O T優化工具包、遺傳算法包、Boeing探索工具、甚至支持自定義優化策略。

基于上述功能需求，我們規劃了如圖3所示的集成平臺體系架構。主要包含三個層次：應用客戶端、功能應用層及基礎資源層。真實仿真程序，又消除了設計空間“噪聲”，避免優化過程陷入局部峰值，實現快速搜索全局性最優解。2）采用“兩級”判別機制評價優化結果是否達到最優，保證了最優結果的精確性。圖4是波音探索工具內部運行流程圖。

圖3 飛機多學科設計集成平臺體系架構

圖4 波音探索工具內部運行流程

應用客戶端是設計師直接面對的工作環境，設計了兩種模式：本地客戶端模式和Web客戶端模式，本地客戶端提供流程封裝功能及設計探索工具。

功能應用層是后臺支撐層，具有分析服務器和計算服務器兩大模塊，提供各種工具封裝服務及并行計算服務。

基礎層提供統一數據庫和各種軟硬件計算資源。

2.3 多學科流程及工具集成

該平臺采用組件的方式完成多學科設計流程及工具的集成，通過兩個步驟：

1）將軟件程序封裝為組件；

2）選擇組件搭建統一的設計流程模型。

該平臺的流程及工具集成功能如下：

1)支持異地、異構環境的軟件和程序封裝集成；提供了多種封裝工具，如：針對Catia、Matlab、UG、Ansys、Nastran等通用的商業軟件，開發了專業封裝接口，實現快速程序封裝和輸入輸出參數定義；對各種自編程序和經驗公式，提供了腳本、Excel、通用封裝接口等多種方式；

2)設計流程自動化運行，實現參數和文件的自動傳遞；

3)多學科專業軟件無縫集成，搭建系統級設計流程；

4)支持相同設計流程不同用途的分析調用；

5)管理封裝完畢的組件，為分布式計算提供基礎組件庫。

采用該平臺框架，通過拖拽組件的方式搭建完整的“設計－分析－優化”過程。總體設計模型還需考慮各分析模塊之間存在數據和文件傳遞關系，如CAD建模模塊需要向氣動分析模塊、強度分析模塊提供CAD模型；氣動分析模塊向強度分析模塊提供氣動載荷等邊界條件，在該平臺界面下，可通過手動連接的方式完成組件間參數映射的定義。過程搭建支持“所見即所得”的搭積木方式，并將大量復雜的前后處理過程和操作技巧轉移到后臺。

2.4 設計探索工具

飛機多學科設計優化對設計探索工具的要求非常高，在該平臺中借鑒吸納了波音10年工程研發成果的結晶，形成專門的波音探索工具包。組合了試驗設計抽樣、自動更新的近似建模、優化等多種手段。對解決包含仿真分析、模型魯棒性差及非平滑設計空間等特點的全局優化設計問題非常有效。

波音探索工具有以下特點：1）采用kriging插值的方式生成近似模型，既代替了

波音探索工具為實際工程問題提供了完全自動化的優化方案，不需要用戶研究各種優化算法理論，降低使用難度，是真正的“智能型”優化工具。

3 飛機總體多學科優化設計案例

基于上述的設計集成平臺，截取了飛機總體設計中概念方案階段的進行尋求航程最大方案的工作片段來進行驗證和嘗試。

本案例的涉及內容如下表：

表1 飛機總體多學科優化案例

本設計優化存在兩大難點：

1）采用了非常多的各學科仿真分析軟件，各類軟件單次運行時間很長，相應的會帶來優化設計周期的增長；涉及的軟件和程序大致如下：

a)幾何建模模塊，采用Catia軟件；

b)氣動分析模塊，精確分析采用Fluent、CFX等商業CFD軟件等；

c)強度分析模塊，采用A n s y s、Nastran等有限元分析軟件；

d)重量分析，采用自編程序；

e)推進系統分析模塊，采用自編程序；

f)性能分析模塊，采用自編程序；

g)操縱穩定性分析模塊，采用Matlab軟件。

2）在該設計階段，不了解設計參數與目標參數之間的關系，缺少設計空間（線性非線性多峰）信息，優化方法和策略不易選擇。

基于該需求原型，在集成設計平臺上構建該優化案例，對設計流程及工具進行集成封裝，效果如圖5所示：

圖5 集成平臺構建效果圖

在本設計中，通過波音探索工具快速尋找到優化方向，經過約30步迭代（如圖6）就尋找到最優設計方案，在滿足設計約束的前提下，最大航程數顯著增加。

圖6 航程優化過程及結果

本案例設計優化全過程在涉及眾多設計工具和程序的條件下，非常快速地獲得了優化結果，充分驗證了該平臺架構的可靠性及穩健性，同時也對后續平臺的應用具有非常好的參考價值。

4 結論

本文以飛機總體設計業務原型為依托，提出了基于成熟商業MDO軟件搭建飛機總體多學科設計集成平臺的構建邏輯，并在飛機總體設計中進行了驗證。通過該集成設計平臺可以實現飛機設計多個專業多部門的設計人員的設計協同，調用異地、異構的計算機資源，完成復雜的設計過程，實現飛機設計多種方案的快速權衡、優化，以及設計參數研究，加快飛機設計過程。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.13.055

唐小潔,助教,碩士,研究方向為傳感器。