渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能虛擬試驗(yàn)平臺(tái)研究*

張世英，羅方正，胡 宇，朱杰堂

(第二炮兵工程大學(xué)，西安 710025)

0 引言

虛擬試驗(yàn)是打通數(shù)字化設(shè)計(jì)與實(shí)物試驗(yàn)之間的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[1]。在傳統(tǒng)的航空航天領(lǐng)域，由于必須進(jìn)行大量大尺寸的實(shí)物實(shí)驗(yàn)[2]，航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制具有技術(shù)難度大、周期長(zhǎng)、費(fèi)用高的特點(diǎn)[3]。國(guó)外先進(jìn)國(guó)家將以建模仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的虛擬試驗(yàn)技術(shù)融入到航空發(fā)動(dòng)機(jī)等武器系統(tǒng)的研制過程中，部分取代實(shí)物實(shí)驗(yàn)，實(shí)踐證明:采用先進(jìn)的虛擬試驗(yàn)技術(shù)是克服巨額投資、縮短研制周期、彌補(bǔ)大型試驗(yàn)設(shè)施能力不足的主要技術(shù)途徑[4]。例如，美國(guó)在研制第四代攻擊機(jī)F-35項(xiàng)目時(shí)就提出“從設(shè)計(jì)到飛行試驗(yàn)全面數(shù)字化”，研制周期比F-22縮短一半，風(fēng)洞吹風(fēng)試驗(yàn)減少75%，試飛飛行架次減少40%，定型試驗(yàn)周期縮短30%[5]。相對(duì)而言，我國(guó)虛擬試驗(yàn)和虛擬測(cè)試技術(shù)還處于起步階段，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)研制上更是如此，還沒有建立相關(guān)的軟硬件基礎(chǔ)，尚不具備系統(tǒng)地開展虛擬試驗(yàn)和虛擬測(cè)試的能力[5]。

為此，文中針對(duì)某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，以其非線性模型作為虛擬樣機(jī)，結(jié)合MVC設(shè)計(jì)模式和LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，構(gòu)建了一個(gè)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能虛擬試驗(yàn)平臺(tái)，可進(jìn)行渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能虛擬試驗(yàn)和相關(guān)性能分析。

1 平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

虛擬試驗(yàn)平臺(tái)是一個(gè)復(fù)雜的虛擬仿真系統(tǒng)，組成要素眾多，且各要素間有很強(qiáng)的耦合性。因而，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬試驗(yàn)平臺(tái)的研究重點(diǎn)是如何設(shè)計(jì)合理的架構(gòu)，使得在虛擬試驗(yàn)平臺(tái)中可以方便的集成不同的虛擬試驗(yàn)分析工具和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以便進(jìn)行多學(xué)科協(xié)同虛擬試驗(yàn)，并且能夠在虛擬試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行各類專用虛擬試驗(yàn)環(huán)境的二次開發(fā)，使平臺(tái)具有更好的可擴(kuò)展性[1]。為此，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能虛擬試驗(yàn)平臺(tái)按照MVC設(shè)計(jì)模式進(jìn)行。整個(gè)虛擬試驗(yàn)平臺(tái)分為三層，包括模型層、試驗(yàn)控制層和用戶界面層，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用MVC設(shè)計(jì)模式，可以使整個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)具有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):

圖1 虛擬試驗(yàn)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

1)高復(fù)用性和可擴(kuò)展性。在MVC設(shè)計(jì)模式中，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)模型是整個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)?；谕荒Ｐ?，針對(duì)不同的應(yīng)用需求，可以開發(fā)不同的應(yīng)用模塊，使得仿真模型代碼的復(fù)用性好，應(yīng)用模塊的可擴(kuò)展性好，從而減小了平臺(tái)的設(shè)計(jì)難度和工作量。

2)低耦合性。將模型和應(yīng)用模塊分離，這樣就允許模型和應(yīng)用模塊獨(dú)立更改代碼，只需要修改相關(guān)配置即可。同樣，添加新的應(yīng)用模塊也不會(huì)對(duì)模型層產(chǎn)生影響。模型層與應(yīng)用層的分離，使得虛擬試驗(yàn)平臺(tái)可以單獨(dú)修改、增添發(fā)動(dòng)機(jī)模型和應(yīng)用模塊。

2 虛擬試驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

MVC設(shè)計(jì)模式基于3個(gè)層次展開，因此虛擬試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)就是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)這3個(gè)層次的軟硬件結(jié)構(gòu)與功能，下面分別對(duì)各個(gè)層次實(shí)現(xiàn)做逐一說明。

2.1 模型層

模型層是整個(gè)虛擬試驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)，在MVC設(shè)計(jì)模式中，實(shí)現(xiàn)Model層的功能，用以模擬真實(shí)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)模型在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制和改進(jìn)過程中有著不可替代的重要作用，文中針對(duì)某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，建立其部件級(jí)非線性模型作為模型層的基礎(chǔ)。

近年來，針對(duì)現(xiàn)有基于FORTRAN或C語言等編寫的部件級(jí)模型存在缺少分析工具且可視化程度不高的不足[6]，NASA利用MATLAB/SIMULINK成功地開發(fā)了MAPSS和C-MAPSS系統(tǒng)級(jí)仿真平臺(tái)，通過可視化的用戶界面，這些平臺(tái)可以方便的應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制算法、故障診斷等領(lǐng)域的研究[7]。因此，文中采用基于MATLAB/SIMULINK這種面向圖形對(duì)象的、高度可視化的建模仿真工具，采用模塊化的建模方法，建立了某型雙軸渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)數(shù)值仿真模型。這種模塊化建模方法主要有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):一是減小了不同部件模塊間的耦合性，便于對(duì)各模塊代碼進(jìn)行修改和管理;二是通過可視化的建模界面，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)建模的難度。模型層總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖3為以MATLAB/SIMULINK開發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)模型。

圖2 模型層總體結(jié)構(gòu)

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)模型

2.2 試驗(yàn)控制層

試驗(yàn)控制層是試驗(yàn)平臺(tái)的核心，主要實(shí)現(xiàn) Controller層的功能。在虛擬試驗(yàn)平臺(tái)中用于控制整個(gè)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸，主要由試驗(yàn)配置、進(jìn)程控制和數(shù)據(jù)傳遞與緩存三大功能模塊組成。圖4為試驗(yàn)控制層的總體結(jié)構(gòu)。

其中，進(jìn)程控制模塊是控制層內(nèi)部的控制核心，用于接收用戶界面層發(fā)出的各種指令，并將指令轉(zhuǎn)譯為內(nèi)部指令，傳遞給試驗(yàn)配置模塊，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬試驗(yàn)。試驗(yàn)配置模塊在接收進(jìn)程控制模塊指令后主要完成以下3個(gè)進(jìn)程:一是針對(duì)用戶需求確定試驗(yàn)類型;二是在特定試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)虛擬試驗(yàn)的高度和馬赫數(shù)，導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際試車數(shù)據(jù);三是完成試驗(yàn)初始化設(shè)置，為試驗(yàn)計(jì)算仿真奠定基礎(chǔ)。

圖4 試驗(yàn)控制層總體結(jié)構(gòu)

控制層內(nèi)部的核心進(jìn)程是調(diào)用發(fā)動(dòng)機(jī)MATLAB/SIMULINK仿真模型，進(jìn)行虛擬試驗(yàn)仿真計(jì)算，而后將試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)傳遞/緩存模塊，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳遞回用戶界面層進(jìn)行后處理和顯示。在這一過程中，控制層主要通過調(diào)用用戶界面層 LabVIEW界面(相關(guān)內(nèi)容參看2.3節(jié))與MATLAB環(huán)境混合仿真實(shí)現(xiàn)仿真計(jì)算，并利用內(nèi)部控制模塊進(jìn)行進(jìn)程控制和數(shù)據(jù)傳遞，完成發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬試驗(yàn)。

2.3 用戶界面層

用戶界面層為用戶提供可視化交互式人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)虛擬試驗(yàn)平臺(tái)中View層的功能。總體而言，用戶界面層主要實(shí)現(xiàn)兩大功能:一是提供試驗(yàn)的控制和監(jiān)控界面，完成對(duì)試驗(yàn)的控制設(shè)定和發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)截面工作參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控;二是為與外界互聯(lián)提供通用接口，如試驗(yàn)調(diào)試系統(tǒng)、性能評(píng)估系統(tǒng)和故障診斷系統(tǒng)，以擴(kuò)展虛擬試驗(yàn)平臺(tái)的功能。圖5展示了用戶界面層總體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部基本功能模塊。

圖5 用戶界面層總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)用戶界面層最為核心的任務(wù)，就是設(shè)計(jì)可視化的人機(jī)交互式界面。由于虛擬試驗(yàn)平臺(tái)工作時(shí)，界面層需要采集和顯示大量的發(fā)動(dòng)機(jī)工作截面和性能參數(shù)，同時(shí)為了使界面清晰簡(jiǎn)潔，更為人性化，文中采用虛擬儀器開發(fā)領(lǐng)域的佼佼者LabVIEW虛擬環(huán)境作為設(shè)計(jì)平臺(tái)[8]，充分的利用其優(yōu)秀的圖形化編程語言設(shè)計(jì)虛擬試驗(yàn)平臺(tái)的人機(jī)交互界面[9]，并利用其與MATLAB平臺(tái)的混合仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的調(diào)用，完成發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能試驗(yàn)和性能分析試驗(yàn)。圖6為虛擬試驗(yàn)平臺(tái)的LabVIEW界面。圖7為虛擬試驗(yàn)平臺(tái)主要的LabVIEW程序界面。

圖6 虛擬試驗(yàn)平臺(tái)LabVIEW界面

圖7 虛擬試驗(yàn)平臺(tái)LabVIEW程序界面

3 發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能虛擬試驗(yàn)

3.1 總體性能虛擬試驗(yàn)

實(shí)際試車過程中，實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行通常需要嚴(yán)格而苛刻的條件，通過虛擬仿真試驗(yàn)，不僅能夠在相同條件下重復(fù)進(jìn)行相同的試驗(yàn)，還能極大地降低成本和風(fēng)險(xiǎn)。

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能虛擬試驗(yàn)分為以下3個(gè)方面:

1)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)性能試驗(yàn);

2)飛行包線內(nèi)，給定高度、馬赫數(shù)和燃油流量時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)非設(shè)計(jì)點(diǎn)性能試驗(yàn);

3)飛行包線內(nèi)，給定高度和馬赫數(shù)，燃油流量變化時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)性能試驗(yàn)。

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬試驗(yàn)的試驗(yàn)操作都是通過Lab-VIEW界面來完成。用戶只需要進(jìn)行4步操作即可完成虛擬試驗(yàn)。1)設(shè)置高度和馬赫數(shù)(即發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境設(shè)定);2)進(jìn)行試驗(yàn)配置，為虛擬試驗(yàn)準(zhǔn)備數(shù)據(jù);3)進(jìn)行虛擬試驗(yàn)，監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)點(diǎn)性能參數(shù)和瞬態(tài)點(diǎn)性能參數(shù)的變化值;4)導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)試車數(shù)據(jù)，進(jìn)行虛擬試驗(yàn)性能分析。

3.2 穩(wěn)態(tài)性能試驗(yàn)分析

針對(duì)某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，按照其設(shè)計(jì)點(diǎn)和非設(shè)計(jì)點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行了設(shè)計(jì)點(diǎn)與非設(shè)計(jì)點(diǎn)總體性能虛擬試驗(yàn)。表1為設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)截面工作參數(shù)在虛擬試驗(yàn)和試車實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比;表2為包線內(nèi)某一非設(shè)計(jì)點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)截面工作參數(shù)在虛擬試驗(yàn)和試車試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比。由結(jié)果可以看出，虛擬試驗(yàn)和試車結(jié)果基本吻合。

表1 設(shè)計(jì)點(diǎn)虛擬試驗(yàn)和試車結(jié)果對(duì)比

表2 非設(shè)計(jì)點(diǎn)虛擬試驗(yàn)和試車結(jié)果對(duì)比

3.3 瞬態(tài)性能試驗(yàn)分析

針對(duì)某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，在飛行包線內(nèi)，某一高度和馬赫數(shù)下，燃油流量按設(shè)定規(guī)律變化時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速實(shí)際試車和虛擬試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比如圖8和圖9所示。試驗(yàn)結(jié)果表明:在一定的誤差范圍內(nèi)，虛擬試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化規(guī)律和試車試驗(yàn)規(guī)律的變化趨勢(shì)基本相符。

圖8 虛擬試驗(yàn)和試車實(shí)驗(yàn)低壓轉(zhuǎn)速變化規(guī)律

圖9 虛擬試驗(yàn)和試車實(shí)驗(yàn)高壓轉(zhuǎn)速變化規(guī)律

4 結(jié)論

針對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)研制技術(shù)難度大、研制周期長(zhǎng)、研制費(fèi)用高的問題，構(gòu)建了一個(gè)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能虛擬試驗(yàn)平臺(tái)。虛擬試驗(yàn)平臺(tái)總體遵循MVC設(shè)計(jì)模式，增加了試驗(yàn)平臺(tái)模型的可復(fù)用性和應(yīng)用模塊的可擴(kuò)展性。模型層以MATLAB/SIMULINK混合編程進(jìn)行建模;運(yùn)用模塊化思想設(shè)計(jì)了3個(gè)功能模塊以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)控制層的功能;用戶界面層采用業(yè)界流行的Lab-VIEW虛擬環(huán)境設(shè)計(jì)，具有良好的可視化效果和交互性，同時(shí)便于對(duì)平臺(tái)功能進(jìn)行拓展。利用試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能進(jìn)行虛擬仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明試驗(yàn)結(jié)果和試車結(jié)果基本吻合。因此，未來可以利用虛擬試驗(yàn)平臺(tái)輔助實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探索出一條借助虛擬試驗(yàn)技術(shù)推進(jìn)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)研制的跨越式發(fā)展道路。

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