基于服務(wù)的高性能多學(xué)科優(yōu)化計(jì)算在飛機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

中航飛機(jī)研發(fā)中心結(jié)構(gòu)所 李 灼 耿雅軒 王 健

基于服務(wù)的高性能多學(xué)科優(yōu)化計(jì)算在飛機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

中航飛機(jī)研發(fā)中心結(jié)構(gòu)所 李 灼 耿雅軒 王 健

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化是一種充分探索子系統(tǒng)相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法論，其利用各個(gè)學(xué)科（即子系統(tǒng)）之間相互作用而產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，讓整個(gè)系統(tǒng)計(jì)算出最優(yōu)解。本文簡要說明了該技術(shù)在基于服務(wù)（SOA構(gòu)架）的飛機(jī)設(shè)計(jì)中所涉及的應(yīng)用層面，并以BRIDGE項(xiàng)目為實(shí)例介紹該應(yīng)用。

多學(xué)科設(shè)計(jì)；最優(yōu)解；飛機(jī)設(shè)計(jì)；SOA構(gòu)架；BRIDGE項(xiàng)目

前言

隨著社會(huì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法己逐漸暴露其局限性,己不能滿足當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的需求,而高性能多學(xué)科優(yōu)化計(jì)算的方法能在最大限度上彌補(bǔ)其不足。就飛機(jī)設(shè)計(jì)而言,從單一的硬件設(shè)施到復(fù)雜的軟件系統(tǒng),每個(gè)部分看似獨(dú)立卻又緊密相關(guān),讓他們高性能的結(jié)合到飛機(jī)設(shè)計(jì)中的方法,勢必是多學(xué)科優(yōu)化計(jì)算。

1 飛機(jī)設(shè)計(jì)的主要階段及其優(yōu)化問題

1.1 指標(biāo)擬定和可行性論證

我們根據(jù)飛機(jī)的不同用途,對指標(biāo)和技術(shù)要求進(jìn)行相關(guān)分析。一般分為軍用飛機(jī)(由軍方提出)和民用飛機(jī)(根據(jù)國民經(jīng)濟(jì)情況、交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)、航線的類別和需求、國家的工業(yè)基礎(chǔ)和技術(shù)水平等方面綜合考慮)兩類。飛機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)和技術(shù)要求主要包括：用途、載客量或裝載量、航程、航速、機(jī)場情況、可能采用的發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)載設(shè)備、可靠性、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、維修性和使用維護(hù)的條件等等。

該階段也被稱為任務(wù)定義階段,主要定義系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)。為了保障該階段決策任務(wù)指標(biāo)的準(zhǔn)確性,引用設(shè)計(jì)優(yōu)化就顯得非常有效和重要。設(shè)計(jì)優(yōu)化的計(jì)算方法,可以將指標(biāo)進(jìn)行最優(yōu)分配。

1.2 方案設(shè)計(jì)

方案設(shè)計(jì)包括初步確定飛機(jī)的類型以及外形、主要參數(shù)的設(shè)計(jì)、部件的幾何尺寸、結(jié)構(gòu)型式及重量;初步選擇所需要的設(shè)備、動(dòng)力裝置等;初步擬定符合飛機(jī)剖面要求的不同航跡的操縱方案等等。此階段要繪制出飛機(jī)的三面草圖和總體布置草圖,以進(jìn)一步論證飛機(jī)技術(shù)要求的可行性和經(jīng)濟(jì)效益。

該階段也可以叫做概念設(shè)計(jì)階段,通過反復(fù)、周密的權(quán)衡來形成一些基本的外形,期間也可以通過設(shè)計(jì)者的直覺和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來構(gòu)建一個(gè)初始外形,接著依據(jù)這些信息進(jìn)行參數(shù)研究,從而檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)是否合理。該階段的設(shè)計(jì)主要依賴的是設(shè)計(jì)者的個(gè)人經(jīng)驗(yàn),如果采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法,必定能使設(shè)計(jì)結(jié)果的可實(shí)行性最優(yōu)化。

1.3 打樣設(shè)計(jì)

在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要確定飛機(jī)各部件之間的結(jié)構(gòu)受力形式及相互連接關(guān)系,進(jìn)行部位安排和重心定位,繪制各部件結(jié)構(gòu)打樣圖,以進(jìn)一步確定幾何尺寸、重量及動(dòng)力裝置參數(shù),完成系統(tǒng)功能計(jì)算、強(qiáng)度計(jì)算、氣度計(jì)算、氣動(dòng)彈性計(jì)算、飛行性能及操縱性穩(wěn)定性計(jì)算等;進(jìn)行部件及全機(jī)的吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)功能試驗(yàn)和新結(jié)構(gòu)新材料的試驗(yàn),制出結(jié)構(gòu)打樣圖、正式的飛機(jī)三面圖,進(jìn)行總體布置圖和重心、重量的定位計(jì)算,提出各部件及各個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)書、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝設(shè)計(jì)任務(wù)書和重量分配指標(biāo)。該設(shè)計(jì)階段中,需制造木質(zhì)樣機(jī),以便審查方案并為輔助設(shè)計(jì)創(chuàng)造條件。

該階段的目標(biāo)是為了使上階段制定的方案更加精確,不僅對設(shè)計(jì)結(jié)果外形進(jìn)行更加詳細(xì)的描述,還對上階段作出的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)進(jìn)行更多的細(xì)節(jié)分析,即用科學(xué)的方法同時(shí)對多個(gè)學(xué)科設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。由于缺乏建立迭代循環(huán)的特定體系,該階段的并行性常常會(huì)導(dǎo)致各學(xué)科設(shè)計(jì)組的不一致。該階段設(shè)計(jì)者需要作出更多更重要的選擇和決策,那么引入優(yōu)化設(shè)計(jì)對計(jì)算效率及設(shè)計(jì)結(jié)果有著極為重大的影響。

1.4 工作設(shè)計(jì)

根據(jù)以上確定的方案以及打樣的結(jié)果,完成零件制造,制作部件、系統(tǒng)、全機(jī)裝配的工作圖紙,提供生產(chǎn)、驗(yàn)收的技術(shù)文件,包括計(jì)算零部件的剛度、強(qiáng)度、顫振和重量,計(jì)算飛機(jī)氣動(dòng)性能以及各系統(tǒng)性能,進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)強(qiáng)度和疲勞試驗(yàn)以及特種設(shè)備和各系統(tǒng)的臺(tái)架試驗(yàn),還需要試制原型機(jī)并制定其試飛大綱。

該階段是設(shè)計(jì)的最后階段,主要是對細(xì)節(jié)性的東西加以注意,并進(jìn)行更多的復(fù)雜分析。比如進(jìn)行某部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,可以在更大程度上減輕結(jié)構(gòu)重量。當(dāng)然,這些局部的優(yōu)化是不會(huì)對飛機(jī)整體性能產(chǎn)生本質(zhì)的影響。

由此我們可以看出,實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)也并不容易,大量的變量和各種現(xiàn)實(shí)環(huán)境條件的約束,讓飛機(jī)的整體綜合設(shè)計(jì)存在更多的挑戰(zhàn)。因此,不論是在飛機(jī)設(shè)計(jì)的哪一個(gè)環(huán)節(jié),優(yōu)化設(shè)計(jì)占著舉足輕重的最用。

2 SOA構(gòu)架

定義：面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu),是一個(gè)組件模型,它將應(yīng)用程序的不同功能單元(稱為服務(wù))通過這些服務(wù)之間定義良好的接口和契約聯(lián)系起來。接口是采用中立的方式,它獨(dú)立于實(shí)現(xiàn)服務(wù)的編程語言、硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)。這使得構(gòu)建在各種這樣的系統(tǒng)中的服務(wù)可以一種統(tǒng)一和通用的方式進(jìn)行交互。

SOA體系結(jié)構(gòu)提供的方法可以構(gòu)建分布式系統(tǒng),從而將應(yīng)用程序功能作為服務(wù)提供給終端用戶。其組成元素可為兩個(gè)部分,一個(gè)是集中于體系結(jié)構(gòu)的功能性方面,另一個(gè)是集中于體系結(jié)構(gòu)的服務(wù)質(zhì)量方面。

SOA的目標(biāo)是讓IT系統(tǒng)變得更有彈性,從而更加符合不同使用者的自身發(fā)展。采用SOA來構(gòu)建信息平臺(tái),無疑是未來的發(fā)展方向。

所以,以SOA(服務(wù))為基礎(chǔ)的多學(xué)科飛機(jī)設(shè)計(jì),不僅能在軟件系統(tǒng)平臺(tái)上滿足設(shè)計(jì)的需求,還能通過這樣的架構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)多方信息的一體化,從來提高各項(xiàng)飛機(jī)設(shè)計(jì)的軟性需求。

3 實(shí)例應(yīng)用

本文是以BRIDGE項(xiàng)目為實(shí)例做簡要分析。具體如下：

BRIDGE是一個(gè)為期三年、投入資金1040萬美元的大型項(xiàng)目,是歐盟第6次研究和技術(shù)開發(fā)框架項(xiàng)目計(jì)劃(FP6)的組成部分。由GSI領(lǐng)頭,其中參與者包括行業(yè)人士和研究機(jī)構(gòu)人員。

該項(xiàng)目對于飛機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)用主要體在現(xiàn)在對機(jī)場環(huán)境的要求上。最為明顯的表現(xiàn)是機(jī)場的噪聲污染,而追究其根源,則主要是因?yàn)轱w機(jī)的起落架和襟翼產(chǎn)生的噪音。那么如何在保障飛機(jī)飛行質(zhì)量的前提下,降低飛機(jī)襟翼著陸所產(chǎn)生的噪音?這成為了飛機(jī)設(shè)計(jì)中的一個(gè)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

該目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)可以通過優(yōu)化著陸襟翼的位置來降低噪音,保持升力不變或略微提高。而襟翼位置的改變,又將涉及到空氣動(dòng)力和結(jié)構(gòu)變形的多學(xué)科的優(yōu)化問題。在不改變飛機(jī)設(shè)計(jì)本質(zhì)的前提下,將不同學(xué)科進(jìn)行優(yōu)化,能更有效地提高飛機(jī)本身的效用。

該項(xiàng)目的成功還為我國網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)提供了借鑒以及技術(shù)支持,以航空為發(fā)展目標(biāo)的基于SOA的多學(xué)科優(yōu)化系統(tǒng)在中歐網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上通過長期穩(wěn)定運(yùn)行得到了驗(yàn)證。

4 總結(jié)

綜上所述,基于SOA的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅能利用各個(gè)學(xué)科(子系統(tǒng))之間的相互作用所產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng),來獲取系統(tǒng)的最優(yōu)解,還能在實(shí)踐上實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)、縮短設(shè)計(jì)周期,從而使設(shè)計(jì)出的實(shí)物會(huì)更符合飛機(jī)設(shè)計(jì)的應(yīng)用。

它的存在合理的平衡了在飛機(jī)復(fù)雜設(shè)計(jì)中的一些相互沖突的技術(shù)問題以及經(jīng)濟(jì)要求,充分體現(xiàn)了并行思維,考慮到所有設(shè)計(jì)學(xué)科中交叉影響的部分,進(jìn)而對其進(jìn)行優(yōu)化,在提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量的同時(shí),也節(jié)約了飛機(jī)的設(shè)計(jì)成本。

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