Заказчик: НПО «Сатурн» (Россия) совместно со Snecma (Франция, группа Safran)
Продукт: Двигатель SaM 146 для самолёта Sukhoi Superjet 100
Инструмент: IOSO NM
Презентация кейсов: «Применение технологии IOSO NM в аэрокосмической отрасли» / «IOSO NM Optimization Software: Aerospace Applications»
Отрасль
Авиационное двигателестроение. Разработка турбовентиляторного двигателя нового поколения для регионального пассажирского самолёта.
Задача
Найти оптимальную геометрию лопатки вентилятора, обеспечивающую одновременно максимальный КПД вентилятора и минимальные механические напряжения в лопатке. Задача решалась в нескольких постановках с нарастающей сложностью:
Задача 1 — Снижение напряжений (5 критериев) Снизить напряжения в лопатке по пяти критериям при неухудшении КПД вентилятора. Варьируемые параметры: геометрия лопатки (7–30 переменных). Расчётные коды: 3D FEA + 3D CFD.
Задача 2 — Повышение аэродинамического КПД (1 критерий) Максимизировать КПД вентилятора при варьировании геометрии (36 переменных). Расчётный код: 3D CFD.
Задача 3 — Оптимизация на двух режимах работы одновременно (2 критерия) Найти геометрию лопатки, обеспечивающую максимальный КПД одновременно на крейсерском (80%) и проектном (100%) режимах скорости. Варьируемые параметры: 36 переменных. Расчётный код: 3D CFD.
Задача 4 — Многодисциплинарная оптимизация (2 критерия: КПД + напряжения) Одновременная максимизация КПД и минимизация напряжений в лопатке. Варьируемые параметры: 7 переменных. Расчётные коды: Numeca Fine/Turbo (CFD) + ANSYS (FEA).
Задача 5 — Оптимизация трёхступенчатого вентилятора (задача без аналогов) Повышение аэродинамических характеристик трёхступенчатого вентилятора на крейсерском режиме при сохранении характеристик на проектном режиме. Геометрия шести лопаток описана 65 независимыми переменными. Один расчётный прогон — 21 час.
Исходные ограничения и сложности
- Высокая вычислительная стоимость одного расчёта: один прогон 3D CFD занимал от 3 до 21 часов на процессоре Pentium IV 3,0 ГГц
- Нелинейные конструктивные ограничения: параметры давления, расхода воздуха и углы на выходе не должны ухудшаться
- Многоэкстремальность целевой функции в пространстве большой размерности
- Наличие зон «невычисляемости» — точек, где расчётный код завершается с ошибкой (нестабильная сходимость CFD на плохой расчётной сетке)
- Необходимость одновременной работы нескольких расчётных кодов в рамках одной оптимизационной задачи (многодисциплинарный проект)
- Задача оптимизации трёхступенчатого вентилятора на момент публикации не имела опубликованных аналогов решения
Подход и решение
Использована платформа IOSO NM с алгоритмом на основе метода поверхности отклика (Response Surface Method). Цикл оптимизации организован следующим образом: IOSO генерирует вектор переменных → расчётная программа строит геометрию, сетку и выполняет расчёт → результаты передаются обратно в IOSO для обновления аппроксимационной модели и выдачи нового вектора переменных.
Для многодисциплинарной задачи (Задача 4) одновременно работали два расчётных кода: Numeca Fine/Turbo для расчёта обтекания и ANSYS для прочностного анализа. IOSO управлял обоими в едином оптимизационном цикле.
Для задачи с трёхступенчатым вентилятором (Задача 5) применена параллельная оптимизация: к решению задачи было подключено 12 вычислительных узлов одновременно, что позволило выполнить 340 итераций за приемлемое время.
Результаты
Задача 1 (снижение напряжений, 5 критериев): Улучшение каждого из пяти критериев напряжений в диапазоне от 9% до 56%. Максимальное напряжение в лопатке снижено на 18%. Достигнуто всего за 22 вызова расчётных кодов.
Задача 2 (КПД, 1 критерий): КПД вентилятора улучшен на 1,5%.
Задача 3 (два режима одновременно): КПД на проектном режиме (100%) улучшен на 5,4%, на крейсерском режиме (80%) — на 4,5%. При одновременной оптимизации обоих режимов получены компромиссные решения с улучшением 3,2% и 4,3% соответственно.
Задача 4 (многодисциплинарная, КПД + напряжения): Напряжения в лопатке снижены на 1,2%, КПД вентилятора увеличен на 1,5%. Построен фронт Парето, демонстрирующий множество компромиссных решений между двумя критериями.
Задача 5 (трёхступенчатый вентилятор): КПД на крейсерском режиме (80%) улучшен на 2,2% при сохранении КПД на проектном режиме (100%). Суммарное вычислительное время сокращено более чем в 10 раз по сравнению с традиционными подходами.
Ценность для заказчика
Результатом работы стала оптимизированная геометрия лопатки вентилятора, реализованная в серийном двигателе SaM 146, установленном на самолёт Sukhoi Superjet 100. Применение IOSO позволило:
- сократить количество дорогостоящих расчётных прогонов на порядок по сравнению с перебором или генетическими алгоритмами;
- решить задачи, для которых опубликованных аналогов на тот момент не существовало;
- обеспечить конструкторам инструмент для исследования фронта компромиссных решений, а не просто единственную «лучшую» точку;
- интегрировать несколько расчётных программ в единый автоматизированный цикл без изменения их кода.
