TAPRO智能化燒蝕溫度計(jì)算分析軟件
一、企業(yè)簡(jiǎn)介
北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所隸屬于中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，是我國臨近空間飛行器總體設(shè)計(jì)中心。作為一個(gè)綜合性、多學(xué)科性、前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究與航天工程緊密耦合、技術(shù)力量雄厚、數(shù)字化設(shè)計(jì)手段先進(jìn)的總體研究，擁有臨近空間飛行器總體設(shè)計(jì)、控制、防隔熱、環(huán)境、仿真等多個(gè)研究設(shè)計(jì)專業(yè)。
本單位以飛行器系統(tǒng)工程理論與技術(shù)、飛行器導(dǎo)航與控制技術(shù)、先進(jìn)復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)和熱過程控制技術(shù)、防熱透波技術(shù)等為主要研究方向。擁有國內(nèi)一流的防隔熱與透波設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)針對(duì)飛行環(huán)境特點(diǎn)和典型材料體系，獲取了大量一手?jǐn)?shù)據(jù)，通過技術(shù)積累和技術(shù)創(chuàng)新而形成了專業(yè)設(shè)計(jì)分析軟件，在防隔熱與透波設(shè)計(jì)方向具有豐富的研制經(jīng)驗(yàn)和攻關(guān)能力。
二、工業(yè)APP簡(jiǎn)介
（一）、問題定位
高速飛行器是科技大國競(jìng)相研究的熱點(diǎn)，其在大氣層內(nèi)高速飛行時(shí)會(huì)經(jīng)歷嚴(yán)峻的氣動(dòng)加熱，面臨高于1000℃的熱防護(hù)設(shè)計(jì)以及溫度、電磁多物理場(chǎng)耦合透波設(shè)計(jì)難題。傳統(tǒng)方法存在計(jì)算環(huán)節(jié)多、操作復(fù)雜易錯(cuò)、數(shù)據(jù)處理量大等問題，為提升飛行器熱防護(hù)計(jì)算分析水平、解決熱電性能耦合、提升設(shè)計(jì)效率、減小產(chǎn)品開發(fā)成本和縮短研制周期，亟需結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)思路，開發(fā)智能化、自動(dòng)化程度高的工業(yè)APP，以提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性和設(shè)計(jì)效率。
本產(chǎn)品將專業(yè)開發(fā)的算法與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)(索為SYSWARE工程中間件平臺(tái))相結(jié)合，將涉及到的設(shè)計(jì)流程、核心計(jì)算程序、數(shù)據(jù)處理規(guī)則、數(shù)據(jù)傳遞接口、交互界面進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化封裝與定制，形能集前后處理、設(shè)計(jì)計(jì)算、數(shù)據(jù)管理功能于一體的多功能軟件，是面對(duì)航空航天燒蝕防隔熱與透波設(shè)計(jì)的通用軟件。本APP將基于大量試驗(yàn)結(jié)果修正的計(jì)算方法和工程實(shí)踐驗(yàn)證的設(shè)計(jì)模式進(jìn)行固化，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)并生成標(biāo)準(zhǔn)格式報(bào)告，設(shè)計(jì)規(guī)范性顯著提升。
（二）、創(chuàng)新點(diǎn)
1、相比傳統(tǒng)燒蝕溫度計(jì)算分析工具，本軟件實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互界面參數(shù)設(shè)置和智能參數(shù)提取, 友好性顯著提升。
2、為適應(yīng)多方案、多狀態(tài)的設(shè)計(jì)分析需求，本軟件能夠開展多工況多方案批量計(jì)算，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并生成分析報(bào)告，顯著提高燒蝕溫度計(jì)算效率；
3、軟件支持多方案快速對(duì)比分析功能，智能推薦優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式縮短了設(shè)計(jì)周期。
（三）、功能介紹
本APP有如下功能：
1、燒蝕溫度場(chǎng)分析：燒蝕溫度場(chǎng)分析用于計(jì)算給定環(huán)境、給定外形條件下，不同結(jié)構(gòu)材料配置方式對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品燒蝕情況和溫度場(chǎng)分布。
圖3 燒蝕溫度場(chǎng)分析模塊
2、燒蝕溫度場(chǎng)優(yōu)化：燒蝕溫度場(chǎng)優(yōu)化用于評(píng)估給定溫度場(chǎng)約束條件下的最優(yōu)結(jié)構(gòu)材料配置方案。
圖4 燒蝕溫度場(chǎng)優(yōu)化模塊
3、電磁透波分析：電磁透波分析用于計(jì)算指定結(jié)構(gòu)材料配置在工作波段和視場(chǎng)范圍的透波性能；
圖5 電磁透波分析模塊
4、電磁透波優(yōu)化：電磁透波優(yōu)化用于評(píng)估實(shí)現(xiàn)最優(yōu)透波性能的結(jié)構(gòu)材料配置方案。
圖6 電磁透波優(yōu)化模塊
5、熱電耦合優(yōu)化：熱電耦合優(yōu)化用于評(píng)估在指定溫度場(chǎng)約束條件下，為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)透波效果所需的結(jié)構(gòu)材料配置方案。
圖7 熱電耦合優(yōu)化模塊
通用功能：
1、人機(jī)交互界面
人機(jī)交互界面符合windows操作習(xí)慣，界面友好，風(fēng)格大方。與前后處理功能相匹配，具備數(shù)據(jù)導(dǎo)入輸入窗口、圖形顯示窗口，支持快捷鍵功能。
2、前后處理
軟件前處理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)程序輸入文件和輸入?yún)?shù)的導(dǎo)入、數(shù)據(jù)提取和數(shù)據(jù)傳遞等功能，主要包括材料物性參數(shù)、計(jì)算尺寸、環(huán)境文件等。要求軟件建立材料數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)物性參數(shù)的一鍵提取，同時(shí)具備多文件批處理能力。
軟件后處理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)程序輸出結(jié)果的統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析、曲線繪圖和word報(bào)告生成功能。
4、優(yōu)化算法嵌入
軟件嵌入多維(≥5維)優(yōu)化算法，可設(shè)置的優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，進(jìn)行設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
5、多方案對(duì)比
軟件支持多方案對(duì)比分析功能，對(duì)不同輸入條件下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分類對(duì)比。
6、數(shù)據(jù)管理
軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)算例相關(guān)文件的保存和讀取功能，歷史文件可追溯。
7、授權(quán)管理
軟件具備版權(quán)保護(hù)功能。
（四）、功能和技術(shù)指標(biāo)優(yōu)勢(shì)
1、自動(dòng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并生成報(bào)告： 軟件自動(dòng)讀取計(jì)算結(jié)果，按照指定方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和繪圖，并將結(jié)果直接寫入計(jì)算分析報(bào)告。
2、智能優(yōu)化設(shè)計(jì)：軟件內(nèi)置多維遺傳算法，能夠根據(jù)給定的變量、約束和目標(biāo)需求，自動(dòng)開展迭代計(jì)算，并推薦最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。
三、技術(shù)方案說明
（一）、工業(yè)APP架構(gòu)
圖8功能結(jié)構(gòu)圖
TAPRO智能化燒蝕溫度計(jì)算分析軟件基于基于“SYSWARE工程中間件平臺(tái)”開發(fā)，主要包括執(zhí)行控制、功能模塊和數(shù)據(jù)管理三大部分。其中功能模塊用包含五種計(jì)算分析功能，如下圖所示。用于實(shí)現(xiàn)前處理和后處理功能。
圖9 功能模塊
執(zhí)行控制用于激活調(diào)用后臺(tái)執(zhí)行驅(qū)動(dòng)和監(jiān)控軟件運(yùn)行狀態(tài)；數(shù)據(jù)管理用于實(shí)現(xiàn)軟件計(jì)算產(chǎn)生數(shù)據(jù)的統(tǒng)一提交管理，數(shù)據(jù)復(fù)用和多方案數(shù)據(jù)對(duì)比。
（二）、工業(yè)APP關(guān)鍵技術(shù)
本工業(yè)APP采用了如下技術(shù)：
1、基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)修正的燒蝕溫度場(chǎng)和電磁透波計(jì)算方法；
2、基于Sysware工程中間件平臺(tái)APP開發(fā)規(guī)范，開發(fā)各模塊專用組件和控件；
3、采用軟件組件化集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)與軟件和程序的數(shù)據(jù)對(duì)接；
4、針對(duì)算法模型、流程、界面、數(shù)據(jù)，采用模塊化開發(fā)方式，模塊功能易于維護(hù)與擴(kuò)展；
5、采用輕量化數(shù)據(jù)庫進(jìn)行方案數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)方案數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)方案數(shù)據(jù)對(duì)比與復(fù)用。
四、應(yīng)用情況描述
（一）、應(yīng)用場(chǎng)景描述
本軟件簡(jiǎn)化了燒蝕溫度和電磁透波計(jì)算的輸入輸出環(huán)節(jié)，規(guī)范了計(jì)算分析流程，大幅提升了計(jì)算質(zhì)量和效率，具有響應(yīng)速度快，并行能力強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠更好地滿足多任務(wù)多工況的應(yīng)用需求。軟件秉承“緊密結(jié)合使用需求、接受建議持續(xù)改進(jìn)”開發(fā)理念，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中進(jìn)行了推廣應(yīng)用，獲得了設(shè)計(jì)人員的廣泛支持和改進(jìn)意見。同時(shí)軟件預(yù)留了功能擴(kuò)展接口，為軟件功能的進(jìn)一步豐富和優(yōu)化提供了保障。在航空航天設(shè)計(jì)研究領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
（二）、商業(yè)化情況
TAPRO是源于航天、立足質(zhì)量、服務(wù)軍民的通用APP，其熱/電分析優(yōu)化功能可為航空航天飛行器熱防護(hù)和電磁窗口設(shè)計(jì)，以及民用建筑保溫、氣象雷達(dá)罩等設(shè)計(jì)優(yōu)化提供支撐。目前已在航天器設(shè)計(jì)單位和電信設(shè)計(jì)單位應(yīng)用。TAPRO通過簡(jiǎn)化輸入和自動(dòng)處理結(jié)果，將典型高速飛行器熱電分析效率提升4~5倍。通過算法和設(shè)計(jì)模式固化，降低人為失誤，提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性。同時(shí)，APP內(nèi)置智能優(yōu)化算法，將重復(fù)性工作交給計(jì)算機(jī)，自動(dòng)推薦最優(yōu)方案，促進(jìn)傳統(tǒng)熱電設(shè)計(jì)模式轉(zhuǎn)變。
圖10 TAPRO智能化燒蝕溫度計(jì)算分析APP界面效果圖
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