多学科设计优化技术在飞机设计中的应用初探

唐小洁 李元林 吴贻君

1四川大学锦江学院机械工程系，四川彭山 620860

2安世亚太科技（北京）有限公司，北京 100026

多学科设计优化技术在飞机设计中的应用初探

唐小洁1李元林2吴贻君2

1四川大学锦江学院机械工程系，四川彭山 620860

2安世亚太科技（北京）有限公司，北京 100026

多学科设计优化技术在当今世界的工业设计领域得到了广泛的应用和发展。文章对多学科设计优化概念的产生、演变、发展以及国内外多学科设计优化技术的应用现状进行了综述分析，针对飞机设计中存在的学科众多、多学科高度耦合、难以全面优化等问题，提出了飞机总体多学科设计优化集成平台的构建逻辑和技术路线，对过程集成、设计探索等技术进行了分析阐述，并运用该集成平台在飞机总体设计中进行了初步的尝试和探索，取得较好的验证效果。最后展望了该设计集成平台的应用前景。

多学科设计优化；飞机设计；过程集成；设计探索

引言

多学科设计优化（Multidisciplinary Design Optimization，MDO）是一种解决大型复杂工程系统设计过程中耦合与权衡问题，同时对整个工程进行综合优化设计的有效方法[1]。它利用计算机网络技术集成各个学科（子系统）的知识，应用有效的设计优化策略，组织和管理设计过程，充分利用子系统之间相互作用产生的协同效应，获得系统的整体最优解。

多学科设计优化的概念于80年代形成，美国NASA和AIAA十五年前就成立了专门的技术委员会来推动多学科设计优化技术应用和深入研究。在美国、欧洲政府部门的推动下，MDO技术被大量应用于国外各大航空航天机构的新型飞行器设计中，包括NASA主持的著名的新一代超音速民机项目HSCT，新一代可重复使用空间飞行器设计环境（A E E）项目，欧盟的分布式推进器翼身融合民机（B W B）项目，波音公司开发的基于高精度分析模型的飞机MDOPT系统，洛克希德公司研制的飞机快速概念RCD系统等等。而另一个航空强国俄罗斯，也在上世纪70年代就采用了“多准则设计”来进行航天领域的总体设计，该方法与美欧提出的MDO技术相似。

在国内，MDO的研究从上世纪90年代中期开始，从跟踪国外研究情况到吸收应用，取得了一定的进展。前期研究工作主要集中在航空航天类高校，如南航[2]、西北工业大学[3]、国防科大[4]和北航[5]等高校在飞机、导弹、卫星等飞行器的MDO研究方面均取得了满意的结果。近年来，随着研究的深入，MDO也引起了工业界的重视，在航空航天、军工、汽车、船舶等行业得到了应用，并且在未来具有广泛的应用前景。如国内的航空航天及军工研究单位、汽车厂商均采购和开发了相关的MDO产品，应用到自己的设计过程中。总之，国内各行业领域，尤其是航空航天业对MDO技术的研究方兴未艾，并且技术优势逐渐在产品设计中体现出来。

1 飞机多学科设计优化应用现状

飞机设计是一种复杂的工程系统，涉及多种学科领域，如空气动力学、结构强度、航空发动机、自动控制、电子技术、材料及工艺等，特别需要各方面的综合协调，除丰富的科学技术和实践经验外，还需要大量复杂的设计、仿真及优化。好的飞机设计方案，必然是在对其各专业、各子系统进行了综合、协调和多学科优化之后才能产生。

以飞机为代表的复杂产品制造业是国民经济和国家安全的重要基础，是综合国力的体现，是国民经济的重要组成部分，是国防现代化的基础和国家安全的保障，对国民经济其他领域具有强有力的带动和辐射作用。由于飞机的研究发展和设计制造时间长、耗资巨大，使用和维护费用高，因此世界各主要工业国家都非常重视发展以飞机多学科设计为代表的先进研发技术，把对飞机多学科设计的研究纳入国家或跨国重要发展计划，开展了大量研究和工业应用，取得了许多重要进展和应用成果，如：美国航天航空局的智能综合环境（ISE）、美国的联合攻击战斗机（J S F）项目所建立的集成仿真环境（S A V E）、德国“生产2000”计划等。在飞机多学科设计优化方面，波音777和空客A380的成功研制是这一领域发展的里程碑。这些大型标志性的研究项目对推动多学科设计优化的方法、技术、平台和工程实践的发展起到了重要作用。

长期以来，我国飞机设计领域一直非常重视多学科优化设计，在气动布局、气动外形、减重、飞控、性能权衡等方面做了大量的研究，取得了宝贵的理论和实践成果，但在飞机多学科协同优化设计方面的自动化程度仍不高。飞机设计的整个反复迭代优化设计循环过程还主要依赖于设计人员通过手动修改设计参数并调用响应的仿真分析工具完成飞机各总体性能的计算以及性能目标的评价，致使反复迭代优化设计过程效率低、周期长、容易出错。飞机多学科协同优化设计自动化程度不高的主要原因：一是缺乏高度集成的分布式多学科协同优化环境；二是缺乏优化设计自动化所必需的各仿真工具和计算机硬件封装集成与管理手段；三是缺乏成熟的高效求解飞机复杂、大尺度多学科优化设计的优化策略和结果后处理工具。

2 飞机总体多学科优化设计技术探索

2.1 飞机总体多学科优化设计

飞机总体设计需要对飞机的各种设计要求和各个专业进行综合、协调，在多学科优化设计的需求方面特别明显。

飞机总体设计是在使用方提出特定设计要求的条件下，设计人员应用气动、结构、动力、材料、工艺等学科知识，通过分析、综合和创造性思维确定飞机布局形式和总体设计参数，经过计算、分析、修正，使所设计出来的飞机以优良的性能，最大限度地满足使用方的要求[6]。飞机总体设计工作中的失误，不仅会对以后的设计工作产生不利的影响、在时间上和经济上造成浪费，而且往往会直接影响研制工作的成败。因此，飞机总体设计是飞机研制过程中最为重要的一个阶段。飞机总体设计过程中总体参数优化设计流程[6]见图1：

图1 飞机总体参数优化流程

由此可以看出飞机总体设计是一个多学科参与、多参数输入、多目标寻优的复杂设计过程。基于上述对飞机总体设计过程的分析，结合调研考察，我们发现目前飞机设计的难点在于：学科及工具众多，并且分散在不同的专业科室，难以集成；优化参数众多，多目标寻优，难以构建全面优化模型；目前人为传递参数和数据导致效率低下，而且容易出错。因此急需构建多学科统一集成框架平台，实现工具、参数、数据和优化流程等的统一化、规范化管理集成，提高飞机设计效率。

2.2 飞机总体多学科集成平台构建技术

基于成熟软件框架，实现多学科工具集成，同时将设计优化流程清晰的定义在平台中，自动建立好多学科参数之间的关联，通过代理模型的建立，调用平台中集成的各种优化算法进行优化计算。如图2所示是对飞机总体多学科设计集成平台提出的初步构建逻辑。

图2 飞机总体多学科设计集成平台设计逻辑

基于上述设计逻辑，并基于成熟MDO软件提出了平台构建逻辑，必须包括如下功能模块：

分析服务器：用于封装应用软件和程序，且提供计算机软硬件资源；

集成优化客户端：用于搭建设计流程并集成相关应用组件，进行快速分析和优化。

并行计算服务器：用于为优化设计流程提供基于web的网格计算服务和数据管理。同时实现计算机资源管理及知识共享重用。

设计探索工具：提供各种设计优化工具包，比如有试验设计工具包、D O T优化工具包、遗传算法包、Boeing探索工具、甚至支持自定义优化策略。

基于上述功能需求，我们规划了如图3所示的集成平台体系架构。主要包含三个层次：应用客户端、功能应用层及基础资源层。真实仿真程序，又消除了设计空间“噪声”，避免优化过程陷入局部峰值，实现快速搜索全局性最优解。2）采用“两级”判别机制评价优化结果是否达到最优，保证了最优结果的精确性。图4是波音探索工具内部运行流程图。

图3 飞机多学科设计集成平台体系架构

图4 波音探索工具内部运行流程

应用客户端是设计师直接面对的工作环境，设计了两种模式：本地客户端模式和Web客户端模式，本地客户端提供流程封装功能及设计探索工具。

功能应用层是后台支撑层，具有分析服务器和计算服务器两大模块，提供各种工具封装服务及并行计算服务。

基础层提供统一数据库和各种软硬件计算资源。

2.3 多学科流程及工具集成

该平台采用组件的方式完成多学科设计流程及工具的集成，通过两个步骤：

1）将软件程序封装为组件；

2）选择组件搭建统一的设计流程模型。

该平台的流程及工具集成功能如下：

1)支持异地、异构环境的软件和程序封装集成；提供了多种封装工具，如：针对Catia、Matlab、UG、Ansys、Nastran等通用的商业软件，开发了专业封装接口，实现快速程序封装和输入输出参数定义；对各种自编程序和经验公式，提供了脚本、Excel、通用封装接口等多种方式；

2)设计流程自动化运行，实现参数和文件的自动传递；

3)多学科专业软件无缝集成，搭建系统级设计流程；

4)支持相同设计流程不同用途的分析调用；

5)管理封装完毕的组件，为分布式计算提供基础组件库。

采用该平台框架，通过拖拽组件的方式搭建完整的“设计－分析－优化”过程。总体设计模型还需考虑各分析模块之间存在数据和文件传递关系，如CAD建模模块需要向气动分析模块、强度分析模块提供CAD模型；气动分析模块向强度分析模块提供气动载荷等边界条件，在该平台界面下，可通过手动连接的方式完成组件间参数映射的定义。过程搭建支持“所见即所得”的搭积木方式，并将大量复杂的前后处理过程和操作技巧转移到后台。

2.4 设计探索工具

飞机多学科设计优化对设计探索工具的要求非常高，在该平台中借鉴吸纳了波音10年工程研发成果的结晶，形成专门的波音探索工具包。组合了试验设计抽样、自动更新的近似建模、优化等多种手段。对解决包含仿真分析、模型鲁棒性差及非平滑设计空间等特点的全局优化设计问题非常有效。

波音探索工具有以下特点：1）采用kriging插值的方式生成近似模型，既代替了

波音探索工具为实际工程问题提供了完全自动化的优化方案，不需要用户研究各种优化算法理论，降低使用难度，是真正的“智能型”优化工具。

3 飞机总体多学科优化设计案例

基于上述的设计集成平台，截取了飞机总体设计中概念方案阶段的进行寻求航程最大方案的工作片段来进行验证和尝试。

本案例的涉及内容如下表：

表1 飞机总体多学科优化案例

本设计优化存在两大难点：

1）采用了非常多的各学科仿真分析软件，各类软件单次运行时间很长，相应的会带来优化设计周期的增长；涉及的软件和程序大致如下：

a)几何建模模块，采用Catia软件；

b)气动分析模块，精确分析采用Fluent、CFX等商业CFD软件等；

c)强度分析模块，采用A n s y s、Nastran等有限元分析软件；

d)重量分析，采用自编程序；

e)推进系统分析模块，采用自编程序；

f)性能分析模块，采用自编程序；

g)操纵稳定性分析模块，采用Matlab软件。

2）在该设计阶段，不了解设计参数与目标参数之间的关系，缺少设计空间（线性非线性多峰）信息，优化方法和策略不易选择。

基于该需求原型，在集成设计平台上构建该优化案例，对设计流程及工具进行集成封装，效果如图5所示：

图5 集成平台构建效果图

在本设计中，通过波音探索工具快速寻找到优化方向，经过约30步迭代（如图6）就寻找到最优设计方案，在满足设计约束的前提下，最大航程数显著增加。

图6 航程优化过程及结果

本案例设计优化全过程在涉及众多设计工具和程序的条件下，非常快速地获得了优化结果，充分验证了该平台架构的可靠性及稳健性，同时也对后续平台的应用具有非常好的参考价值。

4 结论

本文以飞机总体设计业务原型为依托，提出了基于成熟商业MDO软件搭建飞机总体多学科设计集成平台的构建逻辑，并在飞机总体设计中进行了验证。通过该集成设计平台可以实现飞机设计多个专业多部门的设计人员的设计协同，调用异地、异构的计算机资源，完成复杂的设计过程，实现飞机设计多种方案的快速权衡、优化，以及设计参数研究，加快飞机设计过程。

[1]张科施.飞机设计的多学科优化优化方法研究[D].西北工业大学博士学位论文.2006.5

[2]马铁林,马东立,张朔.分析模型参数化建模在飞机多学科优化设计中的应用[J].航空学报.2008，29(6):1576-1579

[3]张科施.飞机概念设计的多学科综合优化技术[J].西北工业大学学报.2005，23(1): 144-147

[4]刘恒军,姜欢,陈万春.防空导弹动能杀伤多层弹道优化MDO算法应用[J].航空学报. 2010，36(2):145-149

[5]何麟书，王书河，张玉珠.飞行器多学科综合设计新算法.航空学报[J].2004，25(5):465-469

[6]《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册第四册：军用飞机总体设计[Z].航空工业出版社.2005.8

[7]李哲，马忠辉.多学科优化设计在航空航天领域的应用及发展[J].航天返回与遥感. 2004,25(3):65-70

[8]叶琎.基于多学科设计优化技术的飞机概念设计软件平台[J].航空计算技术.2007.25(2):34-37

[9]叶琎，曹岳辉.基于多学科设计优化技术的飞机概念设计软件平台[J].航空计算技术. 2007,37(2):91-94

[10]杨维维，陈小前，姚雯，罗文彩.基于多学科协作优化算法的飞机总体优化设计[J].航空计算技术.2006.11,36(6):1-4

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.13.055

唐小洁,助教,硕士,研究方向为传感器。