飞机结构优化及三维弹性载荷分析中的高性能算法及验证

This project studies the problems of the calculation of aeroelastic force and trim load and fast sensitivity analysis in structure optimization with large-scale design variables, in the jig shape design of high aspect ratio airplane. Aiming to solve the technical difficulties of inefficiency in airplane structure optimization and low accuracy in 3D elastic flightload analysis, several algorithms like triangular factorization of a sparse matrix for large-scale structural stiffness matrix, high efficiency parallel computation for sparse matrix vector multiplication, direct sensitivity derivation method, high efficiency interpolation method for 3D aerodynamic force and displacement and 3D elastic flightload analysis method with external aerodynamic force imported are developed. As these technical barriers are broken through, it would be a strong support to the jig shape design of wide-body airliner and long-endurance unmanned aircraft.

本项目围绕大展弦比客机型架外形设计中的全机弹性气动力及平衡载荷的分析、结构大规模设计变量敏度快速求解开展相关研究。发展大规模稀疏结构刚度矩阵三角分解、稀疏矩阵向量乘运算的高性能并行算法和高效的敏度直接求导方法；发展三维气动力与位移高效插值方法、引入外部气动力的三维弹性载荷计算方法。旨在解决目前型架外形设计中结构优化分析效率过低和三维弹性载荷计算精度不足的技术瓶颈，为我国开展大型宽体客机、长航时无人飞机的型架外形设计提供技术支持。

本项目围绕大展弦比客机型架外形设计中的全机弹性气动力及平衡载荷分析、结构大规模设计变量敏度快速求解开展相关研究。发展大规模稀疏结构刚度矩阵三角分解、稀疏矩阵向量乘运算的高性能并行算法和高效的敏度直接求导方法；发展三维气动力与位移高效插值方法、引入外部气动力的三维弹性载荷计算方法。.针对三维气动力与结构位移映射问题，本课题发展一种校正的最近邻域映射算法，通过将总力守恒、总力矩守恒、虚功守恒等物理守恒定律作为优化目标设计优化算法，对初步分配的结构节点力进行优化，使其达到三者守恒的物理要求，达到高精度映射的目标；同时利用二次规划方法建立了复杂外部气动力引入的高阶面元法与结构直接耦合的三维飞行载荷分析系统。基于以上方法，以某大展弦比飞机为对象，通过引入CFD计算结果进行全机三维载荷分析，给出满足结构强度设计与优化所需要的全机弹性载荷、精确的弹性气动力特性，完成工程应用验证。.针对飞机结构优化，本课题采用了基于SuperLU的大规模稀疏线性方程组的高效求解器，提升大规模稀疏矩阵分解效率；针对微分刚度矩阵多零项的结构特点，改进了敏度计算中大规模稀疏矩阵乘算法，减少了稀疏矩阵运算的计算复杂度和数据访存时间；将单机环境下的低效率单位载荷法，发展为能够在SAMOS系统上运行的并行算法。通过测试，将型架外形设计的十万设计变量的解析解敏度分析时间缩短了50倍，解决了十万以上设计变量优化中敏度求解效率低的瓶颈，并形成了自主知识产权的多学科优化系统SAMOS。.综上所述，本项目解决目前型架外形设计中结构优化分析效率过低和三维弹性载荷计算精度不足的技术瓶颈，为我国开展大型宽体客机、长航时无人飞机的型架外形设计提供技术支持。