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客机机翼优化400次后,最终结构竟与鸟骨惊人般相似!

时间:2017/10/9 14:31:23 | 来源:表情说 | 作者:逗比小年青 | 点击数:15

计算形态形成(Computational Morphogenesis)并不是一种崭新的技术,工程师们用它对简单的结构和部件进行设计优化已经有 20 多年的历史了。但是由丹麦技术大学机械工程系副教授 Niels Aage 却把它推上了新高:Aage 的团队对一架波音 777 客机的机翼进行了从零开始的完全优化,其结果与自然界中鸟骨的相似度简直令人吃惊。研究成果发表在 10 月 4 日的《自然》上。

客机机翼优化400次后,最终结构竟与鸟骨惊人般相似!

为了实现这一结果,研究人员们首先需要对现有的形态形成算法进行大幅度的提高。与 2D 图像最基本的单元是像素一样,3D 结构的基本单元为体素(Voxel)。在此之前,最好的 3D 优化算法的分辨率也只有 500 万体素左右。然而,Aage 团队所使用的优化程序的分辨率却高达 10 亿体素。从这角度来看,我们就不难理解为什么他们能实现从优化支架和管道到优化客机机翼了。

当然,普通计算机是无法承担如此大的计算量的——Aage 团队所使用的是法国居里超级计算机。而就算以居里超级计算机那 11520 核的计算能力,从只有外壳形状开始设计这只 27 米长的机翼也花了 5 天的时间。最终的成果是一个与现有的网格式机翼完全不一样,但是又异常的美丽的设计:实心的弧形翼梁,以及斜形的翼肋。

客机机翼优化400次后,最终结构竟与鸟骨惊人般相似!

图 | 400 次优化之后的机翼中心结构图。除了机翼外壳形状之外,一切结构:弧形翼梁,翼肋,构架都是由算法自主生成

与现有的机翼相比,计算机优化的成果要轻 2-5% 左右,也就是 200-500 公斤。从成本的角度来讲,这意味着每架飞机每年都可以省 40-200 吨航空燃油。对于航空业这个巴不得每公斤都收费的行业来说,这可不是一笔小钱。不过,由于结构太过于复杂,我们需要一个(暂时不存在的)巨型 3D 打印机才能把它生产出来。因此,这个机翼现在只能存在于设计图中。

客机机翼优化400次后,最终结构竟与鸟骨惊人般相似!

图:a——用机翼的横断面来展示形态形成的步骤:上为一开始的空壳,中为优化过程中,下为最终的结果

b——以增材生产打印出来的机翼模型,可以看到其中的结构十分精细(体积为 300 mm x  100 mm x 45 mm)

c——犀鸟喙的内部结构图,与电脑生成的机翼十分相似

对于“无法生产”这一结果,Aage 并不在意。他表示,这种技术还可以用来优化我们能生产的结构,比如设计地震区的抗震高层建筑,或者对排气系统,声学系统,或者天线系统进行优化。“我们将大幅度加快设计进化的速度。简单来说,我们现在可以看见最终设计所需要的形态,然后在从中提取我们能够实现的重要特征。”

(责任编辑:zhaoyang)

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