淺析民用飛機(jī)研制總體參數(shù)優(yōu)化

林培鵬

摘 要 為切實(shí)延長(zhǎng)民用飛機(jī)全生命周期，保證民用飛機(jī)使用功能，需要采用合理手段對(duì)民用飛機(jī)總體參數(shù)進(jìn)行不斷優(yōu)化，提升民用飛機(jī)研制效果。本文就針對(duì)此，細(xì)致分析民用飛機(jī)總體參數(shù)優(yōu)化工作的重要性，提出民用飛機(jī)研制總體參數(shù)優(yōu)化對(duì)策，以期為相關(guān)工作人員提供理論性幫助。

關(guān)鍵詞 民用飛機(jī)研制;總體參數(shù);優(yōu)化方式

前言

總體參數(shù)是民用飛機(jī)研制工作的重要組成部分，需要將各專業(yè)技術(shù)集合在一起，形成最佳設(shè)計(jì)方案。為切實(shí)保障民用飛機(jī)研制以及后期投入運(yùn)營期間的綜合效益，需要對(duì)飛機(jī)研制期間總體參數(shù)，如飛機(jī)最大起飛重量、推重比、機(jī)翼安裝位置、機(jī)翼面積以及機(jī)身尺寸等進(jìn)行細(xì)致分析，不斷優(yōu)化民用飛機(jī)研制參數(shù)數(shù)值，保障民用飛機(jī)研制工作高質(zhì)有序開展。

1民用飛機(jī)研制總體參數(shù)優(yōu)化發(fā)展現(xiàn)狀

為從根本上提升民用飛機(jī)總體設(shè)計(jì)質(zhì)量，國內(nèi)外相關(guān)研究部門對(duì)民用飛機(jī)總體參數(shù)優(yōu)化工作進(jìn)行了多年研究，形成了多個(gè)具備特色功能的民用飛機(jī)總體參數(shù)優(yōu)化程序。

國外在民用飛機(jī)總體設(shè)計(jì)分析以及優(yōu)化軟件的開發(fā)方面起步較早，已經(jīng)形成了功能完善的商用軟件，可以借助幾何建模界面，高速建立起幾何模型。通過軟件內(nèi)氣動(dòng)分析、推力分析、性能分析等功能，對(duì)飛機(jī)總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析與評(píng)估，計(jì)算分析能力較強(qiáng)。我國民用飛機(jī)主機(jī)研究工作總體參數(shù)優(yōu)化程序主要靠國外引進(jìn)。20世紀(jì)70年代后期，上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所首次啟動(dòng)民用飛機(jī)總體參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，并開發(fā)出了相應(yīng)的計(jì)算程序，對(duì)增強(qiáng)民用飛機(jī)設(shè)計(jì)水平，保障民用飛機(jī)研發(fā)企業(yè)的綜合效益具有重要作用[1]。同時(shí)，國內(nèi)還研發(fā)出了一套計(jì)算機(jī)輔助概念的設(shè)計(jì)軟件，此軟件具有總體參數(shù)優(yōu)化功能，集成了飛機(jī)參數(shù)估算模塊、氣動(dòng)分析模塊、性能分析模塊等功能，為民用飛機(jī)的研發(fā)工作提供了重要理論依據(jù)。

2民用飛機(jī)研制總體參數(shù)優(yōu)化重點(diǎn)

民用飛機(jī)研制總體參數(shù)優(yōu)化工作主要就是構(gòu)建起各學(xué)科分析模型，依據(jù)各設(shè)計(jì)要求提出約束條件，需要在總體參數(shù)優(yōu)化過程中設(shè)定一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，以便找尋出最佳總體參數(shù)優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 民用飛機(jī)研制總體參數(shù)優(yōu)化工作開展的重要性

現(xiàn)階段民用飛機(jī)研制總體參數(shù)優(yōu)化方式主要分為兩種：第一，用計(jì)算機(jī)等先進(jìn)軟硬件設(shè)施做好參數(shù)優(yōu)化工作，但需要在前期設(shè)計(jì)出相應(yīng)的參數(shù)優(yōu)化程序;第二，憑借民用飛機(jī)研制工程原有經(jīng)驗(yàn)，理順研制總體參數(shù)數(shù)據(jù)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。 在民用飛機(jī)總體方案設(shè)計(jì)，涵蓋了諸多學(xué)科，需要滿足各方面設(shè)計(jì)目標(biāo)以及要求。不同參數(shù)的變化會(huì)直接影響到民用飛機(jī)總體研制水平。與其他研究工作相比，民用飛機(jī)總體參數(shù)數(shù)量多、計(jì)算量大、計(jì)算周期更長(zhǎng)，因此僅依靠研制經(jīng)驗(yàn)或研究人員人工調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，無法從根本上保障飛機(jī)研制質(zhì)量[2]。

民用飛機(jī)研制發(fā)展速度不斷加快，總體設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化方式種類繁多，通過分析國內(nèi)外總體參數(shù)優(yōu)化方式，發(fā)現(xiàn)總體參數(shù)優(yōu)化工作開展的重要性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，運(yùn)用民用飛機(jī)研制總體參數(shù)優(yōu)化方法，能夠切實(shí)提升迭代設(shè)計(jì)工作的設(shè)計(jì)效率，從根本上保障設(shè)計(jì)方案的精準(zhǔn)性與全面性;其次，在開展總體參數(shù)優(yōu)化工作后，所獲得的民用飛機(jī)研制設(shè)計(jì)方案綜合效益更強(qiáng)，具備顯著的技術(shù)可行性與經(jīng)濟(jì)實(shí)用性;最后，在民用飛機(jī)研制工作質(zhì)量要求較高的情況下，僅依靠原有經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方式的設(shè)計(jì)效率較低，無法切實(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)[3]。而借用計(jì)算機(jī)編程輔助手段，開發(fā)出切實(shí)可行的總體參數(shù)優(yōu)化程序，能夠?qū)崿F(xiàn)總體初步方案的快速分析和總體參數(shù)的快速迭代優(yōu)化，使設(shè)計(jì)效率大大提高，并能夠獲取更優(yōu)的總體方案。

2.2 民用飛機(jī)研制總體參數(shù)優(yōu)化原則

在民用飛機(jī)研制總體優(yōu)化過程中，需要嚴(yán)格遵照概念設(shè)計(jì)流程以及總體設(shè)計(jì)任務(wù)，建立起切實(shí)可行的總體參數(shù)優(yōu)化體系。細(xì)致分析在民用飛機(jī)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中存在的各類缺陷問題，確保所制定出的總體參數(shù)方法能夠在增強(qiáng)民用飛機(jī)總體研究水平中發(fā)揮出重要作用。

2.3 民用飛機(jī)研制總體參數(shù)優(yōu)化內(nèi)容

在民用飛機(jī)研制過程中，主要包括初步設(shè)計(jì)方案形成、方案分析、方案優(yōu)化等諸多環(huán)節(jié)。飛機(jī)聯(lián)合涵蓋了民用飛機(jī)初步設(shè)計(jì)各個(gè)階段，需要對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)理念進(jìn)行整體構(gòu)思[4]。民用飛機(jī)初步設(shè)計(jì)工作涉及飛機(jī)氣動(dòng)布局、飛機(jī)參數(shù)選擇、飛機(jī)機(jī)械設(shè)備選擇、飛機(jī)各部件幾何參數(shù)、飛機(jī)草圖繪制以及飛機(jī)總體部署等內(nèi)容。在飛機(jī)初期設(shè)計(jì)過程中，還需要檢查飛機(jī)各設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)性能要求，對(duì)飛機(jī)初步設(shè)計(jì)方案內(nèi)容進(jìn)行不斷優(yōu)化。

2.4 民用飛機(jī)研制總體參數(shù)優(yōu)化框架

現(xiàn)階段國內(nèi)飛機(jī)研制總體參數(shù)主要采用國外商業(yè)優(yōu)化軟件。但在此些軟件設(shè)計(jì)過程中，發(fā)現(xiàn)部分軟件在運(yùn)用過程中存在一定的不足之處。為做好飛機(jī)研制總體參數(shù)優(yōu)化工作，需要對(duì)此些軟件內(nèi)容進(jìn)行取長(zhǎng)補(bǔ)短，制定出更加科學(xué)合理的總體參數(shù)優(yōu)化框架。依照現(xiàn)有民用飛機(jī)總體參數(shù)優(yōu)化商業(yè)軟件運(yùn)行特征，在建設(shè)總體參數(shù)框架過程中，需要秉持統(tǒng)籌兼顧的原則，建立起各專業(yè)分析模型。設(shè)置統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，確保飛機(jī)研制工作中的數(shù)據(jù)均能夠保持一致，更好實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)同目標(biāo)。要求設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)在統(tǒng)一平臺(tái)上開展參數(shù)計(jì)算工作，增強(qiáng)優(yōu)化過程的協(xié)同性。總體參數(shù)優(yōu)化框架應(yīng)當(dāng)具備開放式特征，依照民用飛機(jī)不同研制要求進(jìn)行拓展。積極應(yīng)用優(yōu)化算法庫、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方式、敏感分析以及代理模型的方法，完善民用飛機(jī)研制總體參數(shù)系統(tǒng)的用戶界面。

2.5 建立民用飛機(jī)研制總體參數(shù)分析模型

民用飛機(jī)研制總體參數(shù)分析模型主要由基本性能分析、操穩(wěn)性分析等內(nèi)容組成，涉及幾何、動(dòng)力、氣動(dòng)、質(zhì)量、性能、操穩(wěn)、直接運(yùn)營成本等分析模塊[5-6]。其中，幾何分析模塊需體現(xiàn)出飛機(jī)各主要部件的外形，包括機(jī)翼、機(jī)身、尾翼、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙等外形尺寸及位置參數(shù)，通過這些參數(shù)能夠計(jì)算出飛機(jī)的平均氣動(dòng)弦長(zhǎng)、外露面積、最大燃油體積等信息。動(dòng)力模塊需體現(xiàn)出發(fā)動(dòng)機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)，估算發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和油耗特性、特征尺寸和質(zhì)量等信息。質(zhì)量分析模塊能夠?qū)崿F(xiàn)各部件結(jié)構(gòu)質(zhì)量、基本空機(jī)重量、使用空機(jī)重量、最大起飛重量級(jí)重心變化范圍等數(shù)據(jù)。氣動(dòng)分析模塊需能夠估算飛機(jī)高、低速構(gòu)型的氣動(dòng)特性，包括升力特性、阻力特性、力矩特性、氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)和操縱導(dǎo)數(shù)等數(shù)據(jù)。性能分析模塊需能夠?qū)γ裼蔑w機(jī)起降性能、航線性能及商載航程等進(jìn)行分析。操穩(wěn)分析模塊需要確定靜穩(wěn)定裕度以及飛機(jī)在起飛、巡航、著陸等各環(huán)節(jié)的操穩(wěn)特征。直接運(yùn)營成本分析模塊需要依照設(shè)計(jì)方案內(nèi)容，估算輪擋成本和公里成本等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

2.6 民用飛機(jī)研制總體參數(shù)優(yōu)化算法

利用先進(jìn)的計(jì)算軟件，對(duì)民用飛機(jī)研制總體參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。要求優(yōu)化算法軟件應(yīng)當(dāng)具有合理的用戶界面，用戶可以在該軟件內(nèi)進(jìn)行參數(shù)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)等工作。在民用飛機(jī)研制總體參數(shù)優(yōu)化計(jì)算過程中，主要采用數(shù)值型與探索型兩種方式。針對(duì)民用飛機(jī)研制工作要求，擬定采用混合搜索策略以及遺傳算法[7]。在使用多部?jī)?yōu)化方法期間，需要注重縮短計(jì)算時(shí)間、獲得全局最優(yōu)解，確保設(shè)計(jì)方案綜合效益最優(yōu)化。

2.7 計(jì)算機(jī)輔助總體參數(shù)設(shè)計(jì)程序化

在將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用在民用飛機(jī)研制總體參數(shù)優(yōu)化工作中，需要從總體參數(shù)的基本性能分析與操穩(wěn)性質(zhì)入手，明確各部分程序之間的組成關(guān)系，對(duì)總體數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行細(xì)致分析，指定優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)以及設(shè)計(jì)變量，確保所獲得的數(shù)據(jù)能夠滿足總體參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)[6]。注重設(shè)置合理的計(jì)算機(jī)輔助總體參數(shù)分析流程，在分析流程內(nèi)設(shè)置回調(diào)程序，確保流程準(zhǔn)確可靠。在選擇計(jì)算機(jī)輔助程序期間，應(yīng)當(dāng)對(duì)程序的計(jì)算能力、應(yīng)用簡(jiǎn)便性、繪圖功能、數(shù)據(jù)庫功能等進(jìn)行細(xì)致分析，增強(qiáng)輔助軟件在民用飛機(jī)研制總體參數(shù)優(yōu)化過程中的適用性，從根本上提升總體數(shù)據(jù)優(yōu)化質(zhì)量及效率，確保總體數(shù)據(jù)優(yōu)化結(jié)果能夠在開展高質(zhì)高效民用飛機(jī)研制工作中發(fā)揮出重要作用。

3結(jié)束語

總而言之，在民用飛機(jī)研制總體參數(shù)優(yōu)化過程中，需要相關(guān)部門細(xì)致分析民用飛機(jī)研制要求，選擇適宜的總體參數(shù)綜合分析以及技術(shù)方案，建立起具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的優(yōu)化軟硬件設(shè)施，促進(jìn)國內(nèi)民用飛機(jī)研制工作可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)，相關(guān)研制部門還應(yīng)積極引進(jìn)先進(jìn)參數(shù)優(yōu)化理念，積累下豐富的參數(shù)分析與優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，不斷提升我國民用飛機(jī)研制技術(shù)能力。

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