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CREATE:美国武器装备研制计算机协同工具与平台开发项目

智能制造随笔 2021-01-12 21:26 发文

    大概是十年前写的,都是数字化的东西,是MBD和MBSE的一个案例。后续的发展没有跟进。


    在2008财年,美国国防部(DoD,U.S. Department of Defense)启动了一项雄心勃勃的研究计划:装备设计计算机协同工具与平台开发项目(CREATE,Computational Research and Engineering Acquisition Tools and Environments),项目总经费3.6亿美元。该项目研究时间跨度长达12年,从2008年持续到2019年。该项目分两个阶段:2年的规划阶段(已于2009年结束)和10年执行阶段(始于2010年)。该项目的目标是推出支持飞行器(Air Vehicles)、舰船(Ships)、射频天线(RF Antenna)、网格处理(Meshing and Geometry)的三套计算机协同工具与平台,支持美国国防部在需求规划项目中的用户需求确定、分析模型的验证与确认、柔性与敏捷的规划/管理/过程控制、风险管理、资源需求、短期目标与长期目标的协调等。CREATE计划强调对国防部大型计算机科学与工程相关项目的经验学习,以提升美国国防部在武器装备系统研制项目规划的的科学性、合理性和可行性水平。

CREATE项目背景

       美国国防部在进行武器装备系统的研制中大致按照概念设计、工程开发、制造和部署三个阶段进行。CREATE项目的提出是处于美国国防部在武器装备系统研制期望显著提高工程设计和分析环节,因此主要是针对的概念设计和工程开发,主要体现在如下几个方面:

       (1)改变基于历史数据和样机试验测试的经验开发模式,形成基于多物理场设计验证与试验测试相结合的开发模式;

       (2)在设计早期阶段通过基于物理场分析软件实武器装备系统实物建造之前的问题或缺陷定位以达到缩短研制周期和成本,其核心手段是通过对包含物理属性的虚拟样机进行基于多物理场的多学科综合优化设计。

       (3)支持武器系统在概念阶段开展优化设计分析;

       (4)支持在武器装备系统研制的早期阶段考虑集成性能;

(5)支持美国国防部在武器装备系统研制过程中柔性和敏捷的快速响应需求的变化;

(6)提高美国国防部的工作效率;

(7)为美国国防部尝试开发和建立基于多物理场分析的计算机协同工程软件提供支持。

CREATE项目拟达到的研制模式变革效果如图1所示。


1  CREATE项目拟达到的研制模式变革效果


CREATE项目组成

       CREATE项目的目的是支持快速设计开发的软件工具集和平台,共计由4大类课题组成:

       (1)飞行器方面(AV):目标是提供4个软件工具集:一是DaVinci,用于支持快速概念设计的工具;二是Kestrel,提供具有高用户友好性的面向固定翼飞机整体的多物理场分析的工具;三是Helios,提供具有高用户友好性的面向旋转翼飞机整体的多物理场分析的工具;四是Firebolt,用于面向固定翼和旋转翼飞行器推进系统多物理场分析分析的工具。

       (2)舰船方面(Ships):目标是提供4个软件工具集:一是RDI,具有快速设计和集成能力的软件;二是NESM,支持舰船碰撞和损坏预测分析的软件;三是NAVYFOAM,支持舰船水动力性能预测分析的软件;四是IHDE,用于舰船设计工具集成的协同平台。

       (3)射频天线方面(RF):目标是提供名为SENTRI的软件,以形成支持电磁耦合天线的集成设计平台。

       (4)网格处理方面(MG):目标是提供名为Capstone,支持多物理场分析的快速网格及几何处理。


CREATE项目组织体系

       CREATE项目由美国国防部高性能计算研究所(HPCMP,High Performance Computping Moderation Program)牵头组织。该项目负责人为HPCMP的首席科学家Douglass Post,并联合空军、海军等多部门联合建立了分工合作的组织体系,各个子课题的负责人为:飞行器子课题由来自空军 Patuxent River研究中心的Robert Meakin负责;舰船由来自海军Carderock研究中心的Myles Hurwitz负责;射频天线由来自NASA AFRL/WPAFB的John D’Angelo负责;网格处理由来自海军研究实验室(NRL)的Srikat Dey负责。


CREATE研究计划进展

       自从2008年立项开始,CREATE项目已经取得了长足发展,始于2010年的执行阶段,迄今各个组成课题所涉及到的软件开发均已经实现多个版本的发布,并规划了2013年的进展,见表1所示,其中发布版本代表进行β测试的时间,表明软件代码已经经过了编写开发并经过了α测试。


1  CREATE研究计划进展


CREATE应用前景

       以美国国防部为背景,CREATE项目基于已经开发的项目已经在多个武器装备型号研制中得到了应用,根据当前获取的资料显示,主要应用在如下一些方面:

       (1)海军方面:计有DDG1000驱逐舰、CVN78/CVN79航母,以及俄亥俄级潜艇更新替换项目等;

       (2)空军方面:E-2D预警机、F/A-18E战斗机、JSF联合攻击机、F/A-18 MALD(含小型空中发射诱饵干扰机的F/A-18机型)、Fire Scout无人直升机,以及小型UAV(无人驾驶机)等;

       (3)陆军飞行器方面:UH-60“黑鹰”直升机、军队审查委员会版“支奴干”中型运输直升机CH-47ACRB、奇奥瓦侦察直升机OH-58等;

       (4)射频天线方面:用于F-15的机载侦察系统DB-110、以B-1B轰炸机为载机平台的美国大型飞机电激光器(ELLA)、战略空运机/联合攻击机的稳定性和疲劳性分析等。


总结

       (1)以虚拟样机为核心的多物理场优化设计技术已经成为缩短武器装备系统研制周期和成本的关键支撑技术,美国国防部启动CREATE项目显示其已经取得了共识并付诸实施,我国当前在武器装备系统研制中也日益重视设计制造的全三维贯通,CREATE项目的技术思路为我国武器装备研制技术支撑工具和平台的研究提供了借鉴。

       (2)CREATE项目的开展显示了美国大力支持自主高性能分析软件开发的决心,对比我国在基础软件领域始终存在的缺少自主创新的差距,具有明确而深刻的启迪作用。

       (3)CREATE体现了美国国防部从武器装备系统研制全局角度把控的主导意志,具有鲜明的系统把握、集智集力、强调应用的特点,其所采取的大投入、长时间、群成果的思路值得我国军工科研规划部门参考。



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