簡化飛機建模 將數(shù)周的分析濃縮成幾分鐘

Walt Silva的工作并非研發(fā)一種技術(shù)以大幅加速飛機計算建模過程。不過，美國國家航空航天局（NASA）的研究人員做到了這一點。在過去的20年中，一種用于模擬飛機飛行狀況的虛擬風(fēng)洞應(yīng)用的計算機軟件——計算流體動力學(xué)（CFD），在設(shè)計和測試新飛機時變得越來越重要。但即使是超級計算機，有時也需要數(shù)周才能解決這些要求極其苛刻的復(fù)雜場景問題。

“你需要一張非常大的網(wǎng)格系統(tǒng)來捕捉機翼上及機翼周圍發(fā)生的一切情況，例如，現(xiàn)場布置一百萬個網(wǎng)格點，而這些網(wǎng)格點就是你要解決的上百萬個方程式”，Silva解釋道。即使數(shù)目如此龐大的網(wǎng)格點及其涉及的計算工作，其復(fù)雜性與氣動彈性力學(xué)的復(fù)雜性相比也不能相提并論。而氣動彈性力學(xué)正是Silva在蘭利研究中心專門研究的領(lǐng)域。雖然大多數(shù)空氣動力學(xué)計算都假設(shè)存在一架剛性飛行器，而正如Silva所說，“一切物體都具有彈性彎曲的特性”，所以，氣動彈性力學(xué)就主要是研究空氣動力與飛行器結(jié)構(gòu)之間的相互作用，以及這些物體之間空氣如何流動。

▲氣動彈性力學(xué)工程師Walt Silva檢查了在蘭利研究中心跨音速動力學(xué)風(fēng)洞進行測試的飛機模型。Silva構(gòu)建了ROM軟件模型，該軟件提高了飛行器計算建模的速度，減小了費用昂貴的風(fēng)洞試驗需求

Silva及其團隊主要對空氣動力如何影響結(jié)構(gòu)（空氣流動導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動或彎曲的程度），以及結(jié)構(gòu)彎曲又將如何影響空氣動力進行模擬和計算。這兩個因素還將形成一個反饋環(huán)路，其間的相互作用通常會安全地逐步衰減。但在某些情況下，反饋環(huán)路也會增強， “如果反饋增強得不到控制，就會發(fā)生顫振，從而導(dǎo)致飛行器結(jié)構(gòu)破壞”，他表示。發(fā)現(xiàn)顫振意味著工程師必須對飛行器有關(guān)方面進行重新設(shè)計，或者對飛行器安全飛行的條件進行重新設(shè)定。

對氣動彈性進行全面分析，需要對不同飛行條件下的運行方程進行反復(fù)計算?！凹僭O(shè)飛行器以100ft/s的速度飛行，我們需要花費一周時間進行氣動彈性分析，才有可能找到以100ft/s速度飛行的飛行器的穩(wěn)定狀態(tài)條件?！比缓?，當飛行器速度為200ft/s時，研究人員又需要重新進行模擬仿真運算。“這仍需要一周時間。我們發(fā)現(xiàn)，飛行器以200ft/s的速度飛行時，振蕩有所增加?！痹谶@一案例中，“我們僅僅用了兩周時間就找出了顫振失穩(wěn)的速度。即便如此，我們只是弄清楚了穩(wěn)定或不穩(wěn)定的速度情況，對于飛行器其他的全面情況，我們還是沒有掌握”， Silva表示。他認為一定有辦法加快研究速度。他說得完全正確，結(jié)果證明，重要發(fā)現(xiàn)來自于他在與計算流體動力學(xué)無關(guān)的領(lǐng)域所取得的經(jīng)驗?！叭绻覐囊婚_始就一直專注于計算流體動力學(xué)（CFD），我不確定我還會不會想到這個點子?！?/p>

Silva大約在20年前首次提出了如何簡化顫振建模的想法。但此想法與他當時的實際工作不完全相關(guān)，這項工作在幾年里并沒有取得太大進展；這期間，他還不得不面對那些認為該解決方案永遠不會奏效的反對者?！皠?chuàng)新就是這樣，只有你將所有細節(jié)工作都安排妥當，才能證明創(chuàng)新是有效的”，他說。這一想法終于在21世紀初得以實現(xiàn)， Silva最終在2008年申請了專利并于2011年獲得批準?！爱斚敕ㄗ兊弥饾u清晰時，我也有了重大的新的發(fā)現(xiàn)”，他說。3年后， Silva的研究工作被授予NASA年度發(fā)明獎優(yōu)秀獎，Silva本人也獲得了NASA頒發(fā)的美國航空航天貢獻獎。

NASA充分利用了Silva的創(chuàng)新技術(shù)，包括對終止使用的Ares Crew運載火箭進行前期氣動彈性分析，以及近期對其進行的超音速下弦配置分析；通過這些分析，快速評估了該飛行器結(jié)構(gòu)的安全性?，F(xiàn)在，在問世20年后，該產(chǎn)品開始推廣應(yīng)用到NASA之外的領(lǐng)域，包括波音公司及多家小型公司的商業(yè)部門中，例如，位于阿拉巴馬州的亨茨維爾CFD研究公司（CFDRC）。創(chuàng)新就是如此，“你必須對著它，研究、研究、再研究，當你感到疲倦了、沮喪了、憤怒了和焦慮了，那么就回過頭去再研究”，Silva說。

該軟件創(chuàng)建了結(jié)構(gòu)物體的簡化版本，使用了一種被稱為系統(tǒng)辨識的數(shù)學(xué)工具，而系統(tǒng)辨識方法往往用于結(jié)構(gòu)件或那些涉及飛行動力學(xué)的物體。“當我應(yīng)用系統(tǒng)辨識方法時，我能夠獲得一些特殊信息，而這些信息能夠幫助我構(gòu)建一個簡化的空氣動力學(xué)模型”，Silva解釋說。該模型中只有大約100個或不到100個有序的網(wǎng)格點，而非原有的一百萬個網(wǎng)格點。建模過程可能需要幾個小時，但模型會讓其余的工作完成得更便捷。“現(xiàn)在我把這個模型安裝在我的筆記本電腦上，這里，我并不需要超級計算機，然后將速度改為100ft/s，模型會在幾秒鐘內(nèi)就運行完畢”，他說。“再將速度改為200ft/s，然后就觀察到了顫振現(xiàn)象。以前花兩個星期完成的工作，而現(xiàn)在只需要一到兩天。

Silva將該軟件命名為“降階模型（ROM）”。他表示，ROM軟件為研究者提供的信息雖然不能與運行一套完整的CFD模型所獲得的信息完全等同，但“該模型可以讓你捕獲90%的關(guān)鍵信息”，并且能夠確定哪些是需要進一步開展研究的特定區(qū)域?！叭绻铱偣灿?0個方案，而15個方案是常用的。那么，我就可以將我的資源集中用于另外幾個最具挑戰(zhàn)性的方案中”，Silva說。

在與NASA阿姆斯特朗飛行研究中心合作開展的X-56A MUTT研究項目中，亨茨維爾CFD研究公司（CFDRC）率先使用了降階建模軟件包，用其替代了多功能技術(shù)試驗臺?！盀榱颂岣呷加托剩覀兿Ｍ_發(fā)具有超大翼展的飛行器”，CFDRC公司高級技術(shù)經(jīng)理Yi Wang解釋道。這些機翼由輕質(zhì)復(fù)合材料制成，易于彎曲，這也意味著其顫振問題是一個棘手的問題。“ROM軟件則讓整個工作輕松自如”，Wang說?！皵?shù)據(jù)分析往往需要數(shù)天和數(shù)周時間，而使用了Silva提供的這個軟件，一旦ROM開始運行起來，我們在幾分鐘之內(nèi)就能預(yù)測出顫振?！?/p>

CFDRC公司還將該軟件用于與美國空軍簽訂的一個小型企業(yè)創(chuàng)新研究合同中；該合同項目是“Digital Twin”項目的一部分，旨在創(chuàng)建一個用于測試航天運載器的計算機模型，而該模型實際上將通過計算機執(zhí)行與真實飛行器相同的任務(wù)。該模型將預(yù)測飛行器所承受的各種力和載荷，因此，空軍可以根據(jù)飛機在執(zhí)行特定機動任務(wù)和飛行任務(wù)中所發(fā)生的實際磨損情況制定其維修計劃，而不是按照既定的計劃進行預(yù)防性維護。這不僅可以降低整個機隊的維修成本，還可以確定哪些飛行器需要維修，從而提高整個機隊的安全性。

CFDRC公司為ROM軟件制定了更大的計劃。Wang介紹說，CFDRC公司采用與ROM軟件相同的技術(shù)，并對其進行了擴展應(yīng)用，該軟件模型不僅能分析一個給定速度和高度下的飛行器情況，還能分析整個飛行階段飛行器所經(jīng)歷的諸多條件下的各種情況。“Silva在構(gòu)建這個軟件模型時，也為后續(xù)的擴展應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)”，Wang說，他的同事團隊也正在開展有關(guān)ROM軟件的后續(xù)研究工作。Silva也表示，CFDRC公司目前所做的工作也正是他發(fā)布ROM軟件時所預(yù)期的?！邦澱駟栴}是ROM軟件研發(fā)的起源。按照ROM軟件的研究方法和過程，ROM軟件還會擴展出其他應(yīng)用程序?！?/p>