航空結(jié)構(gòu)大規(guī)模并行分析與優(yōu)化應(yīng)用

李灼 王健

摘 要 隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，應(yīng)用現(xiàn)代的工藝技術(shù)所生產(chǎn)的產(chǎn)品也日益復(fù)雜，這就使得人們對于高性能計算的需求越來越高。而利用數(shù)字化設(shè)計模型來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，已經(jīng)成為當(dāng)下的發(fā)展趨勢。作為航空界來說，飛機(jī)的精細(xì)化模型也越來越受到數(shù)字化設(shè)計的影響。因此，本文圍繞著航空結(jié)構(gòu)并行環(huán)境下進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析以及優(yōu)化等多個問題進(jìn)行了簡要分析，期望能夠更好地利用高性能的計算機(jī)體系來提高航空結(jié)構(gòu)的計算精準(zhǔn)度。

關(guān)鍵詞 航空結(jié)構(gòu);大規(guī)模并行;結(jié)構(gòu)變量;優(yōu)化設(shè)計

前言

自從進(jìn)入21世紀(jì)，計算機(jī)科學(xué)得到了飛速的發(fā)展，而高性能計算機(jī)作為計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)，也得到了飛速的發(fā)展。他們在航空航天，地震預(yù)測等許多工業(yè)領(lǐng)域都取得了更好的應(yīng)用效果。就目前而講高性能計算機(jī)的使用水平，已經(jīng)能夠成為衡量一個企業(yè)或者是科研機(jī)構(gòu)科技水平的重要因素。它在很大程度上能夠表達(dá)一個企業(yè)或者是研究機(jī)構(gòu)的科研能力。而高性能計算機(jī)，它的基礎(chǔ)是計算機(jī)硬件以及軟件，二者缺一不可，因此，本文對其進(jìn)行了簡要分析。

1航空結(jié)構(gòu)大規(guī)模并行的現(xiàn)狀分析

1.1 滿足高性能計算機(jī)的區(qū)域分解并行計算

在進(jìn)行航空結(jié)構(gòu)的計算過程當(dāng)中，并行計算方法一般都遵循兩個原則，一種是重構(gòu)，一種是分而治之。可以根據(jù)不同的計算要求和計算特點，選擇不同的計算方法，在結(jié)構(gòu)并行分析的技術(shù)上，也可以將其進(jìn)行分類，一種是算法的并行有限分析技術(shù)，一種是子結(jié)構(gòu)級的并行有線分析技術(shù)。在這兩種分析技術(shù)的選擇過程當(dāng)中，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同和分析過程的緩解不同，也就是不同的計算特點來進(jìn)行區(qū)分[1]。

1.2 結(jié)構(gòu)非線性振動特性的求解技術(shù)分析

在進(jìn)行機(jī)翼變形分析的情況下，傳統(tǒng)的位移和應(yīng)變關(guān)系，這種基本假設(shè)已經(jīng)不再適應(yīng)大展弦比的機(jī)翼情況，所以說應(yīng)該對其進(jìn)行大應(yīng)變理論的假設(shè)。也就是說，在求解結(jié)構(gòu)時，發(fā)現(xiàn)切線剛度矩陣時應(yīng)該以非線性方程的求解方法來進(jìn)行求解。這樣就能夠得到大變形下的切線剛度矩陣，然后對該矩陣進(jìn)行求解結(jié)構(gòu)的分析，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)特點來選取不同的非線性振動特性的計算。在進(jìn)行計算的過程當(dāng)中，可以分為所有工況下的變形以及非線性振動特性。

2航空結(jié)構(gòu)大規(guī)模并行的優(yōu)化措施分析

2.1 結(jié)構(gòu)分析的平臺簡介

對航空結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析與優(yōu)化，是由中航工業(yè)強(qiáng)度所研究出來的，為了能夠更好地推進(jìn)國內(nèi)航空界的各項功能的一種軟件系統(tǒng)。它在運(yùn)行過程當(dāng)中，主要是以高強(qiáng)度的實驗數(shù)據(jù)作為根本，然后為航空系統(tǒng)提供相應(yīng)的技術(shù)分析以及優(yōu)化設(shè)計，以便能夠促進(jìn)航空系統(tǒng)的技能優(yōu)化。在系統(tǒng)提出功能的改進(jìn)過程當(dāng)中，可以將其分為自動快速建模切面剛度計算細(xì)節(jié)強(qiáng)度分析等多個航空優(yōu)化設(shè)計模塊。系統(tǒng)則采用更為先進(jìn)科學(xué)的技術(shù)來進(jìn)行軟件的架構(gòu)，將各項數(shù)據(jù)進(jìn)行填充，方便航空機(jī)構(gòu)能夠更好地為用戶提供個性化的服務(wù)。在進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析的過程當(dāng)中，主要是對線性靜力，模態(tài)以及線性屈曲三方面進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以滿足這些數(shù)據(jù)對航空結(jié)構(gòu)的需求[2]。

2.2 基于最大航程的氣動結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計

為了能夠促進(jìn)航空結(jié)構(gòu)更好地滿足真正的飛機(jī)需求，應(yīng)該對飛機(jī)的整體性能進(jìn)行目標(biāo)設(shè)定。在保證氣動結(jié)構(gòu)優(yōu)化科學(xué)的前提下，進(jìn)行綜合技術(shù)優(yōu)化，建立相對科學(xué)合理的工藝流程。當(dāng)然，在這個過程當(dāng)中，還應(yīng)該以工程綜合優(yōu)化方法為基礎(chǔ)，采用系統(tǒng)以及學(xué)科兩方面的技術(shù)來進(jìn)行綜合優(yōu)化，實現(xiàn)設(shè)計過程當(dāng)中的優(yōu)化需求。對于復(fù)雜流程當(dāng)中的各項模型數(shù)據(jù)，也應(yīng)該進(jìn)行嚴(yán)格管理，突破傳統(tǒng)的外形設(shè)計計算方法，采用人工智能的方法進(jìn)行計算，以便能夠更好地保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。而對于復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化流程來說，應(yīng)該進(jìn)行快速建模，保證工作流引擎生成問題，不會成為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的阻礙，在這個過程當(dāng)中，也可以采用多模型，分層次驅(qū)動的體系來進(jìn)行架構(gòu)完善[3]。

2.3 復(fù)合材料機(jī)翼精細(xì)化模型綜合優(yōu)化設(shè)計

為了能夠更好地得到優(yōu)化，往往采用全復(fù)合材料來進(jìn)行記憶的模型構(gòu)建。在進(jìn)行模型構(gòu)建的過程當(dāng)中，多使用若干根肋來進(jìn)行前后布置，設(shè)置兩根大梁。在這種情況下，往往有限元分析模型上有八萬個單元，為了能夠?qū)δＰ瓦M(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可以將設(shè)計變量增多，達(dá)到11萬個。而約束則有150萬個，主要是對強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性來進(jìn)行約束。在這種新的有限元模型上進(jìn)行深度計算以及模型的優(yōu)化，主要是對復(fù)合材料的蒙皮分層厚度進(jìn)行優(yōu)化，按照非均衡的設(shè)計原則，將每個屬性的區(qū)分為四個變量，然后在機(jī)翼的尾部取八個節(jié)點，作為垂直弦平面方位位移的計算約束。在進(jìn)行優(yōu)化過程當(dāng)中，可以對比度計算的時間進(jìn)行優(yōu)化，采用這種求解方式，并行求解比單核求解的計算效率要高得多[4]。

3結(jié)束語

根據(jù)以上敘述內(nèi)容，可知在進(jìn)行航空結(jié)構(gòu)大規(guī)模的優(yōu)化過程當(dāng)中，引入?yún)^(qū)域分解法來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的并行求解，可以很好地提高求解效率，當(dāng)然，這也為精細(xì)化結(jié)構(gòu)分析模型的設(shè)計奠定了良好的基礎(chǔ)。總之，采用區(qū)域分解法進(jìn)行航空結(jié)構(gòu)的并行求解，可以更好地引入靈敏度分析，以及數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)等多項技術(shù)，提高計算效率，實現(xiàn)計算變量的高敏度求解。這對于航空結(jié)構(gòu)的大規(guī)模并行及結(jié)構(gòu)優(yōu)化都有著非常好的效果，可以使得我國航空結(jié)構(gòu)規(guī)模得到更好的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉小川，王彬文，白春玉，等.航空結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)技術(shù)的發(fā)展與展望[J].航空科學(xué)技術(shù)，2020，31（3）：1-14.

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[3] 王曉輝.航空結(jié)構(gòu)分析有限元后處理系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊技術(shù)研究[C]. 中國航空學(xué)會.2019年（第四屆）中國航空科學(xué)技術(shù)大會論文集.中國航空學(xué)會：中國航空學(xué)會，2019：369-374.

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