國產工業設計軟件讓研發“跑起來”

近日，在一款名為“智周”的軟件幫助下，我國一型渦軸發動機整機耗油率降低1.8%、功率提高2.6%，整體性能得到提升。

“智周”是我國航空領域首個具有完全自主知識產權的多學科多目標形狀拓撲設計優化軟件，名字來源于《周易·系辭傳》“知周乎萬物，而道濟天下”。它由中國航發商用航空發動機有限責任公司（以下簡稱“中國航發商發”）牽頭，與中國航發湖南動力機械研究所（以下簡稱“中國航發動研所”）、廈門大學共同研發。

目前，“智周”已在60多家高端工業裝備企業和高校院所得到應用。中國工程院院士尹澤勇日前接受筆者采訪時說，“智周”是高端工業裝備設計的有力工具，可有效提高產品性能，取得顯著效益。

尋求設計最優解

航空發動機設計涉及熱力氣動、結構強度、燃燒傳熱、機械傳輸、自動控制等眾多學科，各學科間耦合關系復雜、指標沖突尖銳。如何平衡協調各類沖突指標，是擺在設計人員面前的一道大難題。

“比如，我們希望航空發動機同時擁有高推重比和長壽命，但高推重比通常意味著發動機轉速和燃氣溫度提高，這就會導致零件應力提高、材料性能降低，從而減少發動機壽命。”中國航發商發工程軟件開發團隊主任、“智周”軟件開發負責人邵衛東說，“早期，這項工作只能由設計人員憑借經驗，手動計算本學科相關局部最優解，再通過學科間的交流進行不同指標的折中。這樣一來，既難以保證設計質量，又拖延了研制進度。”

20世紀70年代，計算機的快速發展催生了有限元等工業仿真軟件，使得復雜工業品設計計算速度和效率大大提高。“比起手算，計算機軟件算得準多了，效率也更高。”中國航發動研所總師辦主任米棟告訴筆者，作為工業軟件的重要一類，多學科優化軟件可在各種限定條件下求得最優解。它如同一位“軍師”，可打破各專業間的壁壘，輔助設計人員進行指標統籌規劃。

2000年起，在尹澤勇指導下，中國航發動研所開始了航空發動機多學科設計優化軟件理論和應用方面的研究，明確了以優化方法為基礎“自動”設計航空發動機的目標。2022年3月，“智周”軟件項目由中國航發商發牽頭正式開始研發，核心團隊共60余人，成員多畢業于清華大學、上海交通大學、北京航空航天大學等知名高校。

“通用電氣、普惠、羅羅等國際標桿航空企業都有自己的多學科設計優化系統，而我國多學科設計優化軟件市場長期被國外巨頭壟斷。”邵衛東說，為了提升我國航空發動機自主研制水平、實現高端制造產業安全可控，他們下決心研制出一款達到國際先進水平的多學科設計優化軟件。

確保“算得快”“算得準”

“智周”團隊向筆者演示了軟件使用過程：在初始界面輸入模型指標要求，軟件立即開啟自動計算，不久后，計算界面即顯示出理想結果。

對工業軟件來說，算法是核心競爭力，決定了計算是否“算得快”“算得準”。與業內同類軟件相比，“智周”算法數量超同類軟件3倍。同時，每個算法經過近400個算例的測試，通過率都在95%以上。

“1個算例可以理解為1種工作場景。為確保算法的可靠性，有些算例場景極為復雜，難度好比優化領域的‘奧林匹克’競賽題。”邵衛東介紹，有研究顯示，常規軟件開展測試的算例一般在100～200個，通過率通常不到90%。而“智周”瞄準95%的算法通過率，意味著其能應對更多復雜場景的計算難題。

這個目標一度讓團隊成員覺得“不可能完成”。“那段時間，算法組和負責找算例的總體組可以說是‘相愛相殺’。在不斷磨合的過程中，我們發現即使是權威論文里關于評價指標的‘標準答案’也不一定準確。因此我們逐漸建立了自己的一套算例標準。”“智周”項目開發組成員張越說。

最終，在多年技術儲備基礎上，“智周”團隊用不到2年的時間完成了產品開發測試，并于2024年11月在第十五屆中國國際航空航天博覽會上正式發布產品。

“‘智周’集成了71種優化算法、10種試驗設計方法和10種代理模型，兼具多學科設計優化與拓撲設計優化功能。”邵衛東介紹，“智周”適配國內外主流操作系統和處理器，突破智能化、可擴展、分布式平臺設計技術，實現跨系統多學科聯合仿真設計優化，整體精度比肩、局部精度超過國外同類先進軟件水平。

邁向智能化產業化

長期以來，工業軟件是我國發展基礎較薄弱的領域，國產大型多學科設計優化軟件的發展也面臨挑戰。“智周”的誕生和應用，使國產多學科設計優化軟件邁出了重要一步。截至目前，“智周”已與中國航天科技集團有限公司第六研究院、上海電氣集團股份有限公司、賽力斯汽車等60余家單位、超過80個機構初步達成合作意向，助力航空、航天、汽車、通訊等產業研發加速。

“很多企業的產品需要進一步優化，比如減輕重量、提升效率等，這正是‘智周’應用的好機會。”米棟介紹，通過平臺優化，“智周”使一型飛機起落架艙門重量降低18.2%，強度提升38.5%，實現艙門“瘦身”成功，還更“扛造”；幫助一款通訊設備散熱風扇壓升提高1.13%、效率提升0.32%，讓散熱風扇轉起來更有勁……

近年來，人工智能產業爆發式增長，通過新一代人工智能技術賦能工業軟件發展成為趨勢。“智周”正通過人工智能進一步提高軟件應用能力，實現從輔助智能、增強智能到自主智能的遞進應用。

“‘智周’已接入DeepSeek等，實現了優化算法檢索、軟件智能幫助、輔助二次開發與編碼等功能。”尹澤勇介紹，“‘智周’接入DeepSeek等后，相當于每個用戶身邊都有一個‘算法專家’，幫助用戶有效決策，選擇更適宜的算法。同時，‘智周’還能利用人工智能寫用戶文本，讓用戶和‘智周’對話更容易。”

未來，“智周”還要進一步融入人工智能技術，升級為“智周2.0”智能版本。“具體來說，包括利用人工智能實現更多原創算法和服務，如算法智能推薦功能、代碼或報告智能生成功能、基于大模型框架的拓撲優化功能等。我們還將搭建開放創新平臺，支持高校、科研院所和企業在‘智周’平臺上二次開發。”邵衛東說。