計算機輔助飛機工藝裝備協調系統設計

韓志斌 韓波 王波

摘 要：隨著計算機技術的飛速發展，計算機復制技術已廣泛應用于飛機生產、飛機裝配、飛機設計等領域。計算機技術的應用可以提高飛機裝配質量，降低飛機產品的成本。本文就此展開了研究。

關鍵詞：計算機；飛機工藝；設計

中圖分類號：V260.5 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）32-0263-01

前 言

自21世紀初以來，基于高性能計算機科學得到了長足的發展，并已應用于航空航天、地震預報、核爆炸仿真等許多工業領域，是衡量企業和科研機構科技水平的重要標志，也是檢驗一個國家的高水平技術能力的試金石。高性能計算是未來高精度數值模擬和數值實驗的基本要求。它的基礎是并行計算機的硬件和運行在其上的高性能計算軟件，兩者都是不可缺少的。隨著天河系列、曙光系列等高性能計算機的發展，中國在高性能計算硬件的研究和制造方面已達到國際先進水平。

1 計算機技術的應用優勢

首先在飛機生產中應用計算機技術與其他的技術相比，能夠更加符合飛機生產的需要。雖然使用這項技術時所產生的成本會比較高，操作起來也具有一定的難度，但是使用的周期比較長，應用范圍也比較廣泛。從整個飛機裝配的周期成本來進行計算的話，反而會在最大程度上節約成本，將一些不必要的開支節省出來。其次將計算機技術應用于飛機機械和電氣控制系統中能夠創造出一套更加完整的數字化裝配系統，在整個裝配過程中，我們只需要通過計算機來發出指令，然后讓計算機的內部軟件程序對指令進行執行就可以了，最后再對獲得的結論進行分析，就能夠很容易的實現對飛機機電結構的總體控制，進而提高飛機的裝配機率。最后計算機技術具備對大型測量工件進行測量的能力，在這一點上彌補了對傳統大型化裝配測量的空白，它能夠對當前飛機不斷變化的尺寸進行測量，具有一定的實際意義。除此之外，使用計算機技術能夠完成比較復雜的形位測量任務，讓飛機零件的外形不再受限制，可以說是實現了高難度的裝配工作。同時，應用計算機技術能夠實現動態實時測量，可以對多目標點的位置數據進行測量和反饋，提高測量效率。

2 計算機輔助飛機工藝裝備協調系統設計

2.1 結構分析優化平臺簡介

航空結構強度分析與優化系統HAJIF是中國航空工業所研制的最全面的CAE軟件系統。基于強度試驗數據庫，該系統提供了飛機結構基礎分析、優化設計、氣動彈性分析和熱分析等功能。該系統提供了圖形前后置功能，并集成了航空特征模塊，如自動快速建模、截面剛度計算和細節強度分析等模塊。系統采用先進的開放、可擴展的軟件體系結構，方便用戶進行定制開發和服務。基本分析模塊包括線性靜力分析、模態分析和線性屈曲分析。它支持33種結構元素和非結構元素，它可滿足航天結構常用分析的需要，可解決1000萬自由度結構的靜力分析、動力固有特性分析、瞬態動力分析、屈曲模態分析和屈曲分析、臨界載荷分析等。優化設計模塊包括全應力/滿應變結構優化的準則方法。進行了廣義位移、自振頻率、顫振速度、機翼效率和發散速度的大規模變靈敏度計算，主要考慮了結構的靜力、動態、顫振和彈性的多方面的優化設計。對機身、機翼、尾翼等典型結構進行了結構布局優化。該系統支持大規模并行結構分析和優化設計，已通過中國飛機強度研究所10萬億次計算中心和中國航空研究所100TFlops高性能計算中心的驗證。

2.2 基于最大航程的氣動結構綜合優化設計突破

為滿足實際飛機設計需要，以飛機總體性能為優化設計目標，基于氣動結構多學科綜合優化技術，建立了相應的工作流程，并進行了綜合優化。采用基于工程的集成優化方法，在系統級和學科級采用兩級優化技術實現。為了實現10萬個設計變量的綜合優化，解決復雜過程中各學科模型之間的數據交換和管理，提出了突破氣動力和結構耦合框架的計算方法，采用了具有較高并行度的人工智能算法。針對復雜系統多學科優化過程的快速建模和工作流引擎的生成，采用分層多模型驅動體系結構實現計算。對于亞音速和高亞音速氣動設計，為了獲得最大的升阻比，機翼的氣動分布必須滿足橢圓分布。然而，對于飛行器設計來說，優化的最終目標不是最大的升阻比，而是能夠反映飛行器總體性能的目標函數。噴氣式客機的布雷蓋航程公式為：

式（1）表示飛機設計中阻力與飛機結構質量之間的取舍關系。如果考慮空氣動力學和結構設計，巡航范圍增加，而飛機的總質量保持不變。這種分布可以減小翼根的力矩，降低結構的重量。在巡航工況下，增大升阻比和減小結構重量可以最大限度地提高巡航范圍。

2.3 復合材料機翼精細化模型綜合優化設計

傳統的組合翼箱布局，沿展布若干根肋，前后布置兩根梁，有限元分析模型總計80000。在優化模型中，有大約11萬個設計變量（復合材料分層板厚度、等效金屬桿面積等）和150萬個約束條件（強度、剛度、穩定性、桁架與蒙皮面積比、蒙皮厚度連續性等）。建立了該模型的靈敏度計算和優化設計模型，設計變量為復合材料蒙皮的分層厚度。根據非平衡設計，在每個屬性區域選取4個變量，從機翼中部到機翼以8個節點的垂直弦平面位移為靈敏度計算約束。從預處理到靈敏度計算結束，共用74545s，其中靈敏度計算部分74350s占總時間的99.7%，與單核相比，計算效率大大提高。

3 結束語

我國通過關鍵技術攻關，實現計算機技術與飛機工藝設計的完美結合，必將大幅度降低飛機研制經費，縮短研制周期，順應綠色航空和低碳經濟的發展潮流，同時對我國縮短與西方先進飛機設計水平的差距具有重大的意義。

參考文獻

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收稿日期：2018-9-19