TAPRO智能化燒蝕溫度計算分析軟件
一、企業簡介
北京臨近空間飛行器系統工程研究所隸屬于中國運載火箭技術研究院，是我國臨近空間飛行器總體設計中心。作為一個綜合性、多學科性、前沿基礎科學研究與航天工程緊密耦合、技術力量雄厚、數字化設計手段先進的總體研究，擁有臨近空間飛行器總體設計、控制、防隔熱、環境、仿真等多個研究設計專業。
本單位以飛行器系統工程理論與技術、飛行器導航與控制技術、先進復合結構力學和熱過程控制技術、防熱透波技術等為主要研究方向。擁有國內一流的防隔熱與透波設計團隊，該團隊針對飛行環境特點和典型材料體系，獲取了大量一手數據，通過技術積累和技術創新而形成了專業設計分析軟件，在防隔熱與透波設計方向具有豐富的研制經驗和攻關能力。
二、工業APP簡介
（一）、問題定位
高速飛行器是科技大國競相研究的熱點，其在大氣層內高速飛行時會經歷嚴峻的氣動加熱，面臨高于1000℃的熱防護設計以及溫度、電磁多物理場耦合透波設計難題。傳統方法存在計算環節多、操作復雜易錯、數據處理量大等問題，為提升飛行器熱防護計算分析水平、解決熱電性能耦合、提升設計效率、減小產品開發成本和縮短研制周期，亟需結合工業互聯網思路，開發智能化、自動化程度高的工業APP，以提升產品設計準確性和設計效率。
本產品將專業開發的算法與工業互聯網平臺(索為SYSWARE工程中間件平臺)相結合，將涉及到的設計流程、核心計算程序、數據處理規則、數據傳遞接口、交互界面進行了標準化封裝與定制，形能集前后處理、設計計算、數據管理功能于一體的多功能軟件，是面對航空航天燒蝕防隔熱與透波設計的通用軟件。本APP將基于大量試驗結果修正的計算方法和工程實踐驗證的設計模式進行固化，自動進行數據統計并生成標準格式報告，設計規范性顯著提升。
（二）、創新點
1、相比傳統燒蝕溫度計算分析工具，本軟件實現了人機交互界面參數設置和智能參數提取, 友好性顯著提升。
2、為適應多方案、多狀態的設計分析需求，本軟件能夠開展多工況多方案批量計算，自動進行數據處理并生成分析報告，顯著提高燒蝕溫度計算效率；
3、軟件支持多方案快速對比分析功能，智能推薦優化設計方案，相比傳統設計方式縮短了設計周期。
（三）、功能介紹
本APP有如下功能：
1、燒蝕溫度場分析：燒蝕溫度場分析用于計算給定環境、給定外形條件下，不同結構材料配置方式對應的產品燒蝕情況和溫度場分布。
圖3 燒蝕溫度場分析模塊
2、燒蝕溫度場優化：燒蝕溫度場優化用于評估給定溫度場約束條件下的最優結構材料配置方案。
圖4 燒蝕溫度場優化模塊
3、電磁透波分析：電磁透波分析用于計算指定結構材料配置在工作波段和視場范圍的透波性能；
圖5 電磁透波分析模塊
4、電磁透波優化：電磁透波優化用于評估實現最優透波性能的結構材料配置方案。
圖6 電磁透波優化模塊
5、熱電耦合優化：熱電耦合優化用于評估在指定溫度場約束條件下，為實現最優透波效果所需的結構材料配置方案。
圖7 熱電耦合優化模塊
通用功能：
1、人機交互界面
人機交互界面符合windows操作習慣，界面友好，風格大方。與前后處理功能相匹配，具備數據導入輸入窗口、圖形顯示窗口，支持快捷鍵功能。
2、前后處理
軟件前處理模塊實現對程序輸入文件和輸入參數的導入、數據提取和數據傳遞等功能，主要包括材料物性參數、計算尺寸、環境文件等。要求軟件建立材料數據庫，實現對物性參數的一鍵提取，同時具備多文件批處理能力。
軟件后處理模塊實現對程序輸出結果的統計對比分析、曲線繪圖和word報告生成功能。
4、優化算法嵌入
軟件嵌入多維(≥5維)優化算法，可設置的優化目標和約束條件，進行設計變量的優化設計。
5、多方案對比
軟件支持多方案對比分析功能，對不同輸入條件下的計算結果進行分類對比。
6、數據管理
軟件可以實現對算例相關文件的保存和讀取功能，歷史文件可追溯。
7、授權管理
軟件具備版權保護功能。
（四）、功能和技術指標優勢
1、自動統計數據并生成報告： 軟件自動讀取計算結果，按照指定方式對數據進行統計分析和繪圖，并將結果直接寫入計算分析報告。
2、智能優化設計：軟件內置多維遺傳算法，能夠根據給定的變量、約束和目標需求，自動開展迭代計算，并推薦最優設計方案。
三、技術方案說明
（一）、工業APP架構
圖8功能結構圖
TAPRO智能化燒蝕溫度計算分析軟件基于基于“SYSWARE工程中間件平臺”開發，主要包括執行控制、功能模塊和數據管理三大部分。其中功能模塊用包含五種計算分析功能，如下圖所示。用于實現前處理和后處理功能。
圖9 功能模塊
執行控制用于激活調用后臺執行驅動和監控軟件運行狀態；數據管理用于實現軟件計算產生數據的統一提交管理，數據復用和多方案數據對比。
（二）、工業APP關鍵技術
本工業APP采用了如下技術：
1、基于試驗數據和工程經驗修正的燒蝕溫度場和電磁透波計算方法；
2、基于Sysware工程中間件平臺APP開發規范，開發各模塊專用組件和控件；
3、采用軟件組件化集成技術實現與軟件和程序的數據對接；
4、針對算法模型、流程、界面、數據，采用模塊化開發方式，模塊功能易于維護與擴展；
5、采用輕量化數據庫進行方案數據管理，實現方案數據管理，實現方案數據對比與復用。
四、應用情況描述
（一）、應用場景描述
本軟件簡化了燒蝕溫度和電磁透波計算的輸入輸出環節，規范了計算分析流程，大幅提升了計算質量和效率，具有響應速度快，并行能力強的特點，能夠更好地滿足多任務多工況的應用需求。軟件秉承“緊密結合使用需求、接受建議持續改進”開發理念，在項目設計中進行了推廣應用，獲得了設計人員的廣泛支持和改進意見。同時軟件預留了功能擴展接口，為軟件功能的進一步豐富和優化提供了保障。在航空航天設計研究領域具有廣闊的應用前景。
（二）、商業化情況
TAPRO是源于航天、立足質量、服務軍民的通用APP，其熱/電分析優化功能可為航空航天飛行器熱防護和電磁窗口設計，以及民用建筑保溫、氣象雷達罩等設計優化提供支撐。目前已在航天器設計單位和電信設計單位應用。TAPRO通過簡化輸入和自動處理結果，將典型高速飛行器熱電分析效率提升4~5倍。通過算法和設計模式固化，降低人為失誤，提高設計準確性。同時，APP內置智能優化算法，將重復性工作交給計算機，自動推薦最優方案，促進傳統熱電設計模式轉變。
圖10 TAPRO智能化燒蝕溫度計算分析APP界面效果圖
AII微信公眾號
AII頭條號