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富士重工使用optimus优化翼稍小翼提升飞机经济性
1. 翼稍小翼气动与结构的博弈
• 提高飞行器升力
坐落于日本的富士重工航天航空株式会社，致力于飞行器的研发与生产。该公司成功地参与了多个波音商用飞机的项目。为了进一步追求绿色环保以及更为经济的航空旅行，富士重工分析了一架民用客机模型的翼稍装置。具体而言，翼稍小翼通过弱化翼稍附近的分离，提高了翼稍处产生的升力。翼稍小翼也因此降低了由翼稍涡引起的升致阻力，进而提高飞行器的升阻比。翼稍小翼这一有利的气动特性，在不加长翼展的条件下，带来了更高的燃油效率以及更长的飞行器航程。
• 机翼结构加强的需求
然而，从结构的角度来看，翼稍小翼及其附件增加了机翼的重量。在空中飞行时，这种改进的机翼形状会引入翼稍挠度以及扭转载荷的增加。这种机翼挠度的变化，使得主翼结构必须得到加强。为了补偿这些结构上的损失，并提升翼稍小翼的附加价值，富士重工依靠optimus集成了仿真过程并对飞行器进行了优化设计。
• 捕捉仿真过程
在optimus上，富士重工的工程师为装备了翼稍小翼的机翼建立了多学科优化设计平台，该平台的基础是计算流体动力学（cfd）与有限元方法（fem）的耦合分析。富士重工的工程师采用有限元软件建立了机翼结构模型来模拟机翼加强结构的重量影响。同时，他们调用了cfd仿真来分析带翼稍小翼机翼的气动弹性效应。他们首先在optimus的“拖拽式”图形化过程集成编辑器中搭建了翼稍小翼优化设计的工作流。然后，他们定义了除机翼扭转角分布以外的翼稍小翼角度（扫略角、上返角、稍根扭转角）、小翼比例（锥度及弦长）以及小翼展长的设计变量取值范围。
• 定义优化目标与约束条件
通过与有限元和cfd工具的直接接口，optimus能够为优化设计自动参数化机翼模型，执行仿真并提取结果。翼稍小翼优化设计的目标，是在满足预设的结构/气动约束下，降低飞行器起飞重量。富士重工的工程师尝试在巡航状态下，在引入低结构损失的前提下，提升气动性能。其中，机翼的结构尺寸是基于临界静载条件的。
2. 引导仿真驱动翼稍小翼优化设计
• 翼稍小翼设计预估
由于机翼与翼稍小翼见存在着复杂的流动，翼稍小翼的设计空间是非线性的。众所周知跨声速流动会在上翼面引入激波。因此，翼稍小翼优化的目标是限制激波强度，进而避免由激波与边界层之间过度作用而带来的分离。为了提高效率并保证安全性，富士重工采用激波诱导分离（sis）准则作为流动约束。
利用拉丁方试验设计方法，optimus对设计空间进行了采样，以便在小计算量的前提下获得大量的相关性信息。随后，采用高效的响应面建模方法，基于kriging模型可靠的确定目标函数的多个模态。响应面上的峰值与谷值为非线性翼稍小翼的研究提供了宝贵的信息。富士重工预估多个小翼变体以及设计特征对飞行器性能的影响。
• 自动优化设计
翼稍小翼设计的自动搜索过程已经变得非常简单。利用格式化的优化过程工作流以及与耦合有限元和cfd的直接接口包，optimus能够自动驱动这个基于仿真的设计过程。遗传全局优化算法有效地驱动了多学科仿真获得翼稍小翼设计。利用optimus，富士重工的专家找到了带翼稍小翼机翼的布局设计，减少了飞行器在小重量影响下4%的巡航阻力，同时，有效避免了sis带来的风险。
• 节省燃油
这个巨大的减阻所带来的结构损失为454公斤附加机身重量，优化后的气动性能又带来676公斤飞行器起飞重量的减重，整体减重1.2%。在总重的减少以及起飞重量的增加间1130公斤的差异是由每次飞行任务中节省的燃油带来的。在客机的整个生命周期中，翼稍小翼无形中为航空公司节省了上百万燃油成本，为更清洁的环境与良好的航空旅行经济型做出了巨大的贡献。
翼稍小翼集成项目是一个典型的例子，在这个例子中组件优化被当做一个完整多学科优化模型中的子系统。通过集成及自动化仿真工作流，optimus有效地引导仿真驱动总体飞行器任务的改善。富士重工在其所取得的成果以及应用optimus进行多学科优化的过程中看到了巨大的潜力。