[01136862]面向飞行器设计与分析的高端数字样机系统及应用

本课题来源于国家杰出青年科学基金“计算机在新应用领域中的基础研究”（NO.50425825）。 在飞行器设计和制造领域,我国已采用了CAD/CAPP/PDM/ERP等数字化设计和管理的软件产品,但基本局限于数字化制造过程的某个局部,其一体化设计、实验、制造的数字化程度还较低,整体水平不高。在航空工业中,当前采用的数字样机相关软件主要是从国外购买的,但受限于发达国家的技术禁运,核心模块始终受制于人。基于此背景,本研究团队系统地研发了多学科数值模拟的各类支撑技术,开发了面向飞行器设计的数字样机系统,以期促进核心设计软件的国产化,推动国内航空工业的数字化设计、分析和制造。 针对高端数字样机的主要技术难点,完成了：1)实现了CAD和CAE的无缝集成,完成了CAD数据有效性和完整性检测技术、CAD模型自动修复技术、自适应网格生产技术、混合网格生成技术和非结构网格的并行生成技术;2)研发了面向航空发动机及超燃冲压发动机燃烧室的湍流燃烧数值模拟技术,提出基于非结构网格系统的时空高阶迎风低耗散离散格式,各向异性非结构网格自适应求解技术,多介质界面求解器技术,以及动态增厚火焰燃烧模型大涡模拟技术;3)针对飞行器轻量化结构设计问题,研发了有限元分析和统计能量分析软件模块,对典型算例的计算结果与理论解、ABAQUS或AUTOSEA的计算结果相比,精度误差约为5%,效率基本相当;4)研发了气动求解模块,对多类复杂空气动力学问题进行分析,典型的包括：某新型短距起飞垂直降落无人飞行器空气动力学以及热流场分析,新型高超声速飞行器多体分离数值分析,高速列车空气动力学分析。5)针对大规模、时变、高维和多属性的科学数据,结合信息可视化技术、科学可视化技术和数据挖掘技术,提出了流场数据挖掘的两种数据模型和挖掘范式,研究了多种关联规则分析、聚类、分类预测、以及频繁子图挖掘等算法在流场数据中的应用。6)结合计算机视觉技术和计算机图形学技术,实现了一种能够“随处投影、任意组合”的智能投影系统SmartProjector。该投影系统能自适应于投影表面,在任意几何形状和复杂纹理的表面上投影出不变形、不变色的投影图像。同时,多投影仪间可以互相合作,进行自组织拼接和并行绘制,实现大尺寸、高分辨率的拼接显示。这种技术可以用于快速建立可视分析的沉浸式环境。 基于上述技术,并综合应用了国内外计算力学软件领域的一系列新技术,构建了一套具有完全自主知识产权的高端数字样机系统HEDP。HEDP系统总框架使用C/S架构,所有模块都可以在远程服务器端分布式运行。系统提供（或集成）高性能并行数值求解库,并行程序调试、跟踪和性能分析工具,实现了数值分析全过程的并行处理,能对亚、跨、超、高超各类飞行器进行快速高效的数字化设计、一体化优化和性能仿真。申请国家发明专利4项,已批准2项、软件著作权6项、发表相关论文95篇。 高端数字样机系统在航天科工集团第十一研究院、航天科工集团第三研究院、中国运载火箭技术研究院、沈阳飞机设计研究所等国防部门中得到了应用,协助完成了多项飞行器的设计工作,大大缩短了设计和评估周期,显著提高了新产品的竞争力,并减少了对国外软件的依赖,取得了良好的经济与社会效益。