让超级计算机从零设计飞机机翼,结果它选择了鸟的翅膀

原文以Supercomputer redesign of aeroplane wing mirrors bird anatomy为标题

发布在2017年10月4日的《自然》新闻上

原文作者:Elizabeth Gibney

通过算法设计出来的机翼结构与鸟骨结构相似。

工程师使用一种模仿自然选择的超级计算技术,从零开始设计一架飞机机翼的内部结构。根据所得的蓝图,重新设计出来的机翼不仅比现存机翼更轻,而且更接近于自然形态,比如鸟的翼骨,这些并未出现在现有的飞机设计中。这个有机机翼和传统机翼一样坚硬,但是更轻,因此每架飞机每年最多可以节约200吨的燃料。

传统机翼由直杆和支柱支撑,但是一台超级计算机提出了一种更加有机的设计。

Samuel Taylor/Alamy

伦敦帝国理工学院的航空工程师Matthew Santer说:“这鲜明地展示了如何在高分辨率下应用基于计算的优化方法。”他补充表示该方法可被用于设计过程,不过要以其当前形式用于航天应用仍面临诸多挑战。

该项目的领导人、丹麦科技大学的工程师Niels Aage说,虽然工程师使用这类优化技术已有20年的历史了,但是处理的只是一些较小尺度的问题,比如个别机翼组件,或者更简单的结构。这一次,Aage和同事用法国的居里超级计算机提高分辨率,对一架波音777的27米长机翼进行建模。

他们的团队从翼型入手(已经经过优化达到最大升力和最小阻力),将其分割成11亿个3D像素,也就是“体素”。每一个体素大致和最小的乐高积木同等大小——此分辨率比之前的要高出约200倍。首先,算法模拟每个体素受到的力,然后将材料分配到机翼受到负重的地方。在没有人类指导的情况下,该程序将以上分析过程重复几百次,根据每个体素受到的压力添加或移除材料,直到达到最优设计。Aage说:“机翼的结构在每一个设计周期中都在不断演化,这个过程和自然演化极其相似。”

有机设计

不同于传统机翼的是,利用算法得出的新结构不含一般布有多个侧撑的直梁。相反,这个设计看上去更接近生物形态。弧形翼梁在机翼后缘散开,形似鸟翼的骨头,机翼前缘的复杂支撑结构看起来像鸟喙的内部结构。

作者解释说,该设计没有降低刚度(变形阻力),比传统结构的机翼重量低2-5%。也就相当于每个机翼减轻200-500公斤,这有望使每架飞机每年节约40-200吨燃料。Aage认为该技术也可被用于其它产业,比如可用于设计地震区的高楼,既保持它们的刚度,又能抵抗地震震动。另外也可用于优化声学系统、通风系统和天线。

华中科技大学的计算机工程师夏凉表示,该技术的高分辨率使计算机能够设计从几毫米到几十米的结构,或将为其它领域带来更具创意性的设计。但是他强调,运行该算法会对计算机造成重大负荷——相当于一台标准计算机连续运行100年。不过,如果研究团队采用更先进的模拟方法(比如用于人工智能的模拟方法),计算成本有可能降低,这样的模拟方法实际只对部分机翼进行如此高分辨率的建模。

尽管如此,上述机翼设计过于复杂,无法通过现有方法制造出来。如果要制作,必须用到巨型3D打印机。但就现在来说,可以取其长处,与传统制造方式相结合,优化所要生产的结构。Aage表示:“我们的设计正在加速演化,这意味着我们能够看到理想的设计状态,然后提炼关键特性——或者是那些可以实现的特性。”

Naturedoi:10.1038/nature.2017.22759

  • 发表于:
  • 原文链接:http://kuaibao.qq.com/s/20171211B02USZ00?refer=cp_1026

相关快讯

扫码关注云+社区