计算机辅助飞机工艺装备协调系统设计

韩志斌 韩波 王波

摘 要：随着计算机技术的飞速发展，计算机复制技术已广泛应用于飞机生产、飞机装配、飞机设计等领域。计算机技术的应用可以提高飞机装配质量，降低飞机产品的成本。本文就此展开了研究。

关键词：计算机；飞机工艺；设计

中图分类号：V260.5 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）32-0263-01

前 言

自21世纪初以来，基于高性能计算机科学得到了长足的发展，并已应用于航空航天、地震预报、核爆炸仿真等许多工业领域，是衡量企业和科研机构科技水平的重要标志，也是检验一个国家的高水平技术能力的试金石。高性能计算是未来高精度数值模拟和数值实验的基本要求。它的基础是并行计算机的硬件和运行在其上的高性能计算软件，两者都是不可缺少的。随着天河系列、曙光系列等高性能计算机的发展，中国在高性能计算硬件的研究和制造方面已达到国际先进水平。

1 计算机技术的应用优势

首先在飞机生产中应用计算机技术与其他的技术相比，能够更加符合飞机生产的需要。虽然使用这项技术时所产生的成本会比较高，操作起来也具有一定的难度，但是使用的周期比较长，应用范围也比较广泛。从整个飞机装配的周期成本来进行计算的话，反而会在最大程度上节约成本，将一些不必要的开支节省出来。其次将计算机技术应用于飞机机械和电气控制系统中能够创造出一套更加完整的数字化装配系统，在整个装配过程中，我们只需要通过计算机来发出指令，然后让计算机的内部软件程序对指令进行执行就可以了，最后再对获得的结论进行分析，就能够很容易的实现对飞机机电结构的总体控制，进而提高飞机的装配机率。最后计算机技术具备对大型测量工件进行测量的能力，在这一点上弥补了对传统大型化装配测量的空白，它能够对当前飞机不断变化的尺寸进行测量，具有一定的实际意义。除此之外，使用计算机技术能够完成比较复杂的形位测量任务，让飞机零件的外形不再受限制，可以说是实现了高难度的装配工作。同时，应用计算机技术能够实现动态实时测量，可以对多目标点的位置数据进行测量和反馈，提高测量效率。

2 计算机辅助飞机工艺装备协调系统设计

2.1 结构分析优化平台简介

航空结构强度分析与优化系统HAJIF是中国航空工业所研制的最全面的CAE软件系统。基于强度试验数据库，该系统提供了飞机结构基础分析、优化设计、气动弹性分析和热分析等功能。该系统提供了图形前后置功能，并集成了航空特征模块，如自动快速建模、截面刚度计算和细节强度分析等模块。系统采用先进的开放、可扩展的软件体系结构，方便用户进行定制开发和服务。基本分析模块包括线性静力分析、模态分析和线性屈曲分析。它支持33种结构元素和非结构元素，它可满足航天结构常用分析的需要，可解决1000万自由度结构的静力分析、动力固有特性分析、瞬态动力分析、屈曲模态分析和屈曲分析、临界载荷分析等。优化设计模块包括全应力/满应变结构优化的准则方法。进行了广义位移、自振频率、颤振速度、机翼效率和发散速度的大规模变灵敏度计算，主要考虑了结构的静力、动态、颤振和弹性的多方面的优化设计。对机身、机翼、尾翼等典型结构进行了结构布局优化。该系统支持大规模并行结构分析和优化设计，已通过中国飞机强度研究所10万亿次计算中心和中国航空研究所100TFlops高性能计算中心的验证。

2.2 基于最大航程的气动结构综合优化设计突破

为满足实际飞机设计需要，以飞机总体性能为优化设计目标，基于气动结构多学科综合优化技术，建立了相应的工作流程，并进行了综合优化。采用基于工程的集成优化方法，在系统级和学科级采用两级优化技术实现。为了实现10万个设计变量的综合优化，解决复杂过程中各学科模型之间的数据交换和管理，提出了突破气动力和结构耦合框架的计算方法，采用了具有较高并行度的人工智能算法。针对复杂系统多学科优化过程的快速建模和工作流引擎的生成，采用分层多模型驱动体系结构实现计算。对于亚音速和高亚音速气动设计，为了获得最大的升阻比，机翼的气动分布必须满足椭圆分布。然而，对于飞行器设计来说，优化的最终目标不是最大的升阻比，而是能够反映飞行器总体性能的目标函数。喷气式客机的布雷盖航程公式为：

式（1）表示飞机设计中阻力与飞机结构质量之间的取舍关系。如果考虑空气动力学和结构设计，巡航范围增加，而飞机的总质量保持不变。这种分布可以减小翼根的力矩，降低结构的重量。在巡航工况下，增大升阻比和减小结构重量可以最大限度地提高巡航范围。

2.3 复合材料机翼精细化模型综合优化设计

传统的组合翼箱布局，沿展布若干根肋，前后布置兩根梁，有限元分析模型总计80000。在优化模型中，有大约11万个设计变量（复合材料分层板厚度、等效金属杆面积等）和150万个约束条件（强度、刚度、稳定性、桁架与蒙皮面积比、蒙皮厚度连续性等）。建立了该模型的灵敏度计算和优化设计模型，设计变量为复合材料蒙皮的分层厚度。根据非平衡设计，在每个属性区域选取4个变量，从机翼中部到机翼以8个节点的垂直弦平面位移为灵敏度计算约束。从预处理到灵敏度计算结束，共用74545s，其中灵敏度计算部分74350s占总时间的99.7%，与单核相比，计算效率大大提高。

3 结束语

我国通过关键技术攻关，实现计算机技术与飞机工艺设计的完美结合，必将大幅度降低飞机研制经费，缩短研制周期，顺应绿色航空和低碳经济的发展潮流，同时对我国缩短与西方先进飞机设计水平的差距具有重大的意义。

参考文献

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收稿日期：2018-9-19