发动机稳定性主动控制仿真计算

1. 应用需求背景

在开展产品设计改装权衡论证过程时，一个集成度高、适应性广、操作简便、稳定性好的产品快速设计与验证平台不可或缺。目前，经历数十年的科研技术研究、设计生产、试飞交付等大量工作，用户已经形成了一支总体、气动、强度、结构、系统、特设等专业配套齐全的科研队伍。各个专业均已积累了大量的计算、分析和试验数据。基于这些数据，提炼形成了独立的计算方法，有些已经形成了计算软件。但是，各个专业的数据缺乏统一的管理，计算方法或软件的调用需要手动地处理包含大量参数的输入输出文件。各专业之间的协调仍然以人工或半人工的方式。因此，亟需建立一套产品快速设计与验证平台系统，具备数据集中管理、算法软件灵活调用、各专业协调统一、方案提前进行验证的能力。快速设计与验证平台可开展产品特征构型与主要参数的权衡与优化，以及改装方案的快速验证评估，协助用户完成新一代产品改装论证。

 

 

图 1 快速设计验证系统

此外，产品快速设计与验证平台还支持用户将已积累的大量数据基础提炼形成快速的计算方法及模块。为后续型号设计及改装工作提供可直接应用的快速分析与验证工具。。

2.必要性

用户在进行产品改装论证设计时，为了开展大量的构型研究、改装方案设计、任务性能评估、参数权衡和优化等工作，确保产品能够满足设计要求，提高产品的综合性能，保障改装方案的可行性，减小后期设计存在反复的风险，有必要建立一套适用于产品改装的产品快速设计验证平台。具体而言，其主要意义包含以下几个方面：

1）针对改装任务要求，快速给出性能优越、合理可行的产品改装方案。针对产品的气动性能、力矩特性、重量特性、重心平衡、飞行品质等存在较大改变之处，提前进行快速分析并给出可供决策的结果；针对可能存在较大风险之处，提前进行相关的评估和验证，并给出相应的调整方案；对仍然存在问题之处，提出增加控制面等弥补或改进措施。

2）在统一的平台上，对多种改装构型同时进行设计和验证。用户可灵活地进行各类设计，并根据需要灵活添加部件。另一方面，可最大限度的共用与特殊构型无关的通用算法，降低构型更改的复杂程度，提高计算效率，实现构型更改和计算在十分钟内完成。

3）利用平台提供的工具，可开展参考型号原型机和改装方案快速重构和深入分析，由此明确改装方案的技术水平、性能影响和可能存在的风险。同时形成大量的数据及经验，可直接导入到内置的数据管理平台中，并辅助用户开展经验固化与方法集成。

4）已有型号经验综合集成，提升用户的产品快速设计验证能力。所形成的能力可直接应用于产品改装、优化设计、以及未来新型号的全新预研和改装论证。

5）有助于形成统一的数据、资料、经验管理平台，以及通过定制形成统一的流程化工作环境。利用产品快速设计验证平台，可使产品在总体设计阶段保持一致、最新、共享和安全，从而缩短产品的研发周期、有效的提前规避风险、降低工作反复、为企业赢得竞争优势。

 

 

图 2 算法单元和计算流程设置方法示意图

 

3. 系统的能力与功效

快速设计工具软件的能力和功效有如下几方面：

1. 概念方案综合性能快速分析与优化

AcCreator可对产品概念方案进行快速建模，开展气动/重量/性能等专业快速评估，给出方案的主要性能，并在此基础之上进行参数权衡和优化。具体功能如下所述。

2. 总体参数快速估算

构建各类总体参数计算方法，建立计算流程，并根据产品概念方案数据结构，开展总体参数计算。其中，各类快速估算方法主要包括以下几个方面：

基于以上各类计算方法，构建计算流程，可实现整个产品方案在某个状态下的性能计算。利用这些算法和流程，用户可进行多个状态的组合计算，来实现产品方案的更多性能计算。 

 

图 3 算法单元和计算流程设置方法示意图

 

3. 约束判断

建立约束判断算法。针对概念方案的数据结构进行合理性判断。这些判断结果可用于在概念方案参数权衡和优化的时候进行方案筛选。

4.反向求解、参数权衡与优化

建立一个通用的多维方程组求解器，可支持反向求解某输入变量以匹配某输出变量。用户可根据需求自定义若干输入变量，同时定义同样数量的输出变量。在求解模式下，可自动求解这些输入变量，以匹配这些输出变量。该功能既可以扩展参数计算的范围，又可以避免过于复杂的计算流程带来的运算性能的损失。

5.专业精细分析及其接口设计

AcCreator提供了子专业精细分析的接口（如内嵌BLWF进行CFD分析），或执行特殊分析功能。

6.产品任务效能评估

基于产品概念方案数据，用户可对输入的任意多项飞行任务，进行效能评估。例如路径、性能分析、适应性分析等。

7. 用户自定义模板及其高级应用

具有自定义模板的功能，可以支持用户根据自己的需求定制模板，以实现不同的需求。

将每个计算方法抽象为一个“算法单元”，它包含一个计算方法（程序），输入参数和输出参数定义。将各个“算法单元”串联起来，即形成了“计算流程”。在开始计算之前，将自动判断“计算流程”中所有的输入参数和输出参数，从概念方案数据结构中获取输入参数。然后将依次执行各个算法单元，将计算结果反馈到数据结构中。最终自动完成计算。

将所有的“算法单元”形成方法库，并支持用户按照自己的需求，从方法库中选择所需的“算法单元”按顺序组成“计算流程”。通过这种方法，实现用户高级自定义功能，并形成模板。

 

 

图 4 算法单元和计算流程设置方法示意图

 

8.多阶段不同精度的计算

基于用户自定义模板功能，可实现概念设计不同阶段不同精度的计算。在概念设计前期，方案数据较少，可使用简单的计算流程和粗略的计算方法，主要着重于产品级顶层参数研究。随着方案的深入，方案已确定的数据量越来越多，用户可以使用详细的计算流程和精确的计算方法，主要侧重于方案的细节论证和局部参数的权衡和优化。

9.  用户交互界面设计 其主要组成包括：

1)        产品概念方案展示：三维视图、三面图、数据列表面板；

2)        用户交互操作：各类计算操作按钮，数据面板支持拖拽操作；

3)        多种数据格式导入/导出：Autocad，Tecplot，CPACS, PIANO Engine Data Pack等；

4)        报告自动生成：支持用户自定义模板；

5)        支持数据库导入/导出。

10.草图设计器

允许用户以二维草图的形式对参考机型进行气动布局快速重构，以及几何外形、部件位置等布局参数的快速修改。输出结果可直接使用。

4. 软件特点

快速设计验证设计软件的特点表现在以下几方面：

产品快速设计验证平台充分考虑到本单位在型号设计中存在的问题和实际需求，并运用先进的数字技术手段，开发的快速设计迭代优化平台。其特点可以概括如下几点：

1.统一设计体系

在统一体系下集成整合了产品型号快速设计所需要的数据库资源，设计流程管理，专业学科软件工具等。以型号设计为主线，进行过程统一管理，各部门通过统一的渠道获取所需要的数据信息，进行工作。各成员可在不同的平台，甚至移动终端参与进行设计工作。

2.良好的底层框架

采用高性能的底层框架，在应对工程领域各种高性能的海量数据、国防军工领域所强调的安全性等方面，能够站在一个非常高的起点上。同时它也为设计与试验的紧密集成提供更多的便利。

3.灵活的体系结构

系统采用模块化的设计，根据企业应用功能需求，进行统模块的划分，企业根据需求进行灵活的裁剪和配置，满足企业的具体的实际需求。实现即插即用的应用模式。

4. 强大的数据安全保障机制

系统采用基于角色的多级权限管理体系，进行身份认证和数字签名，可以按照企业研制单位组织结构体系为每个部门，人员设置不同的角色，为每个角色配置相应的权限，用户的数据访问及每一步操作均是受控的。 

5. 软件使用范围和效果

快速设计工具软件主要可应用于以下几方面：

包括以下几个方面：

1) 形成一套指标论证工具体系，针对来自客户的产品顶层需求，通过指标论证过程，形成产品设计指标。使得研制过程顺利进行。

2) 实现概念方案设计体系，以满足初步概念方案设计验证的要求。体系可实现包括：

（a）气动/结构/重量/发动机/性能/操稳等专业之间的平衡，以保证产品在设计状态下各专业均达到自身的最优；

（b）产品各主要参数之间的平衡，使得产品在满足各类约束的同时，还能保持综合性能最优，具备更强的竞争力。

3)实现概念方案设计、分析和优化时的原型机或竞争机研究工具。有助于后续设计过程中能够更加充分的借鉴以往型号或同类机型的研制经验。

4)实现面向运行环境的综合优化工具。实现最大限度地仿真预警机方案对客户需求的满足情况，对方案的综合竞争力进行评估。

5)实现设计流程梳理。构建设计流程管理体系，帮助解决设计过程中的工具不统一，算法差异大，数据分散，数据不一致，数据处理效率低下等问题。通过对设计流程的梳理，规范工作流程，并将工作过程积累下来，提高设计效率。

6)实现有效设计数据管理体系。产品设计全过程中的数据都统一到网络平台中，所有相关信息有序、完整的保存在相应的数据库中，并且提供各阶段的应用工具，如项目管理工具、数据导入工具、数据管理工具、数据展现工具、数据分析处理等。

7)实现知识工程体系。构建面向设计应用的知识库，同时覆盖相关的知识方法积累需求。通过构建创新式知识工程推送体系，使设计人员积累的经验和知识封装到系统中，在其他科研人员再次使用的过程中又会主动智能化地推送出来，真正意义上赋予了知识工程以旺盛的生命力。