航空發(fā)動機機械液壓裝置產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計技術(shù)發(fā)展綜述

中航工業(yè)西安航空動力控制科技有限公司 王 宇 朱煜忻 楊軍杰 張建華

中航動力控制股份有限公司 丁 航

如果把航空發(fā)動機喻為飛機的心臟，那么航空發(fā)動機燃油控制系統(tǒng)則是發(fā)動機的“大腦”和“神經(jīng)中樞”，目前航空發(fā)動機燃油控制系統(tǒng)主要采用電子控制系統(tǒng)或機械液壓控制系統(tǒng)，無論是哪種控制方式，都離不開機械液壓執(zhí)行裝置。

如今，隨著數(shù)字化、信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，《中國制造2025》成為我國實施制造強國戰(zhàn)略的行動綱領(lǐng)，智能的設(shè)計制造模式成為新時期眾多尖端制造企業(yè)追求的目標(biāo)，與此同時航空發(fā)動機在性能與結(jié)構(gòu)、體積與重量方面對機械液壓裝置產(chǎn)品也有了更高的要求。

航空發(fā)動機機械液壓裝置產(chǎn)品特點

機械液壓裝置是航空發(fā)動機燃油控制系統(tǒng)的核心組成部分，它通過對航空發(fā)動機進(jìn)氣角度及燃油流量的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)發(fā)動機增壓、燃燒、渦輪作功、噴口/矢量噴口等部件各種工作狀態(tài)的控制（圖1）。鑒于控制對象的不同需求，且要考慮飛機飛行過程中的各種環(huán)境因素（如：飛行高度、大氣壓力、速度、溫度等），需要對械液壓裝置進(jìn)行相應(yīng)功能項設(shè)計。而控制參數(shù)的多樣性與功能的復(fù)雜性，必然導(dǎo)致機械液壓裝置產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜。

航空發(fā)動機機械液壓裝置主要由泵和調(diào)節(jié)器類產(chǎn)品組成，其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在殼體類零件上。復(fù)雜殼體類零件作為航空發(fā)動機燃油控制系統(tǒng)高、中、低壓油路導(dǎo)引的核心部件也是發(fā)動機燃油泵、燃油調(diào)節(jié)器及各種控制元件總成安裝固定的基件，其設(shè)計制造水平直接影響著航空發(fā)動機的性能與壽命[1]。

航空發(fā)動機機械液壓裝置數(shù)字化設(shè)計技術(shù)發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

1 數(shù)字化設(shè)計技術(shù)發(fā)展歷程

數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，主要經(jīng)歷了3個階段：第一階段為CAx（CAD/CAE/CAM等）各類計算機輔助工具應(yīng)用階段，這標(biāo)志著數(shù)字化設(shè)計的開始；第二階段為并行工程應(yīng)用階段。打破了原有串行的工作方式，使產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、工裝、制造、計量檢測在統(tǒng)一的PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）平臺上進(jìn)行信息交互與協(xié)同工作[2]；第三階段為虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用階段，它是設(shè)計建模技術(shù)、仿真技術(shù)、數(shù)據(jù)管理技術(shù)、成熟度技術(shù)、設(shè)計制造協(xié)同技術(shù)等在產(chǎn)品全生命周期中的綜合應(yīng)用。

圖1 航空發(fā)動機機械液壓裝置控制對象

2 航空發(fā)動機機械液壓裝置數(shù)字化設(shè)計技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

伴隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，我國航空發(fā)動機機械液壓裝置產(chǎn)品的設(shè)計模式也在不斷變革（圖2）。

產(chǎn)品測繪仿制階段，主要利用制圖軟件進(jìn)行二維工程圖紙的繪制；產(chǎn)品改進(jìn)改型階段，通過二維工程圖附加三維設(shè)計模型的形式進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計信息的傳遞，期間CAE仿真技術(shù)、PDM產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)得到應(yīng)用，并且開始嘗試三維設(shè)計模型PMI技術(shù)及多學(xué)科聯(lián)合仿真技術(shù)；產(chǎn)品自主研制階段，全面應(yīng)用MBD技術(shù)，建立單一的數(shù)據(jù)源進(jìn)行產(chǎn)品的數(shù)字化定義，期間結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)與設(shè)計制造并行協(xié)同技術(shù)得以成熟應(yīng)用，使數(shù)字化設(shè)計及應(yīng)用水平達(dá)到了一個新的高度。

圖2 數(shù)字化設(shè)計技術(shù)促進(jìn)航空發(fā)動機機械液壓裝置設(shè)計模式的變革

3 數(shù)字化設(shè)計技術(shù)工程應(yīng)用急需解決的問題

近幾年，由于波音公司在其787型產(chǎn)品上對MBD技術(shù)的成功應(yīng)用，使得眾多尖端制造企業(yè)紛紛效仿，由于缺乏MBD數(shù)字化定義技術(shù)理論和體系的系統(tǒng)研究，不同機械制造領(lǐng)域雖然制定了框架性的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，且各企業(yè)也自主開發(fā)了一些基于知識工程的軟件應(yīng)用工具，但并不能完全解決科研生產(chǎn)中遇到的實際問題。

（1）如何在設(shè)計模型中實現(xiàn)完整的信息集成。

航空發(fā)動機專業(yè)領(lǐng)域普遍采用UG軟件對產(chǎn)品進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計，該軟件的技術(shù)特點是特征建模。特征從技術(shù)上說就是一組具有特定屬性的實體,能夠抽象地描述產(chǎn)品上的幾何形狀及其工程信息。而如今產(chǎn)品設(shè)計階段使用的特征建模技術(shù)僅是對零件功能幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，卻未能與制造特征信息相結(jié)合，如何創(chuàng)建一個同時包含幾何功能結(jié)構(gòu)及制造特征信息的設(shè)計模型，是基于MBD技術(shù)實現(xiàn)設(shè)計制造協(xié)同一體化的關(guān)鍵問題。

（2）如何將設(shè)計知識和準(zhǔn)則進(jìn)行總結(jié)并體現(xiàn)在設(shè)計工作當(dāng)中。

航空發(fā)動機控制系統(tǒng)機械液壓裝置產(chǎn)品構(gòu)成復(fù)雜，在結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中需要控制的參數(shù)及約束條件繁多。如何將這些參數(shù)和控制條件和準(zhǔn)則進(jìn)行整理歸納，將其中符合信息化特點的內(nèi)容進(jìn)行程序化和工具化處理。如何利用業(yè)務(wù)流程對設(shè)計知識進(jìn)行整合，是MBD技術(shù)基于知識工程應(yīng)用的關(guān)鍵點。

（3）如何解決產(chǎn)品模型標(biāo)注信息的冗亂“刺猬現(xiàn)象”問題。

航空發(fā)動機燃油控制系統(tǒng)復(fù)雜殼體產(chǎn)品外部幾何形狀復(fù)雜，內(nèi)部型腔及功能孔隙特征繁多，其中各種功能性孔類特征大約占70%。因此，在產(chǎn)品實施MBD技術(shù)過程中大量三維標(biāo)注信息占滿了整個屏幕，工程技術(shù)人員很難從中捕獲所需要的信息。怎樣將不同形狀不同結(jié)構(gòu)的三維模型產(chǎn)品信息直觀化、美觀化、規(guī)范化表達(dá)是當(dāng)前急需解決的問題。

（4）如何利用現(xiàn)有平臺進(jìn)行多學(xué)科仿真分析的協(xié)同與管理。

航空發(fā)動機機械液壓裝置是典型的復(fù)雜機電液產(chǎn)品，其研制周期長、涉及學(xué)科廣，屬于知識密集型工作，以往采用單一學(xué)科軟件的分析方法難以適應(yīng)研究對象發(fā)展的需要。多學(xué)科和多軟件平臺協(xié)同建模和仿真技術(shù)，成為影響產(chǎn)品性能進(jìn)一步提高的技術(shù)之一。但在協(xié)同仿真分析實施過程中還沒有一個成熟的管理平臺，嚴(yán)重制約著產(chǎn)品研制的進(jìn)度。

航空發(fā)動機機械液壓裝置產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

隨著航空發(fā)動機機械液壓裝置產(chǎn)品設(shè)計、制造水平的不斷提升，各種新的數(shù)字化技術(shù)也逐漸得到應(yīng)用。

1 基于制造的產(chǎn)品設(shè)計特征建模技術(shù)

航空發(fā)動機機械液壓裝置產(chǎn)品空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是復(fù)雜殼體類零件，其內(nèi)部功能幾何特征孔隙繁多，尺寸要求精密，設(shè)計、制造加工難度大、周期長。如何將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)同加工制造緊密結(jié)合，從而縮短產(chǎn)品周期，是現(xiàn)階段產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點，目前最具有代表性的就是“基于制造的產(chǎn)品設(shè)計特征建模技術(shù)”。

傳統(tǒng)的產(chǎn)品建模僅是對功能幾何結(jié)構(gòu)的表達(dá)，缺乏對制造過程信息的體現(xiàn)。將制造特征過程融于幾何建模過程中使設(shè)計制造特征同一化是數(shù)字化設(shè)計的一個新的里程碑，也是實現(xiàn)面向制造的最佳方法。

由于復(fù)雜殼體零件形態(tài)各異，從相似零件分類方面很難取得實用效果。必須把零件細(xì)分為結(jié)構(gòu)化的特征，從功能特征的相似性上找出規(guī)律，建立對應(yīng)復(fù)雜殼體常用功能部件的特征?；谥圃斓脑O(shè)計特征均為含有孔類特征的基本信息，子類特征所記載的公差等信息為其特有信息。通常確定最小直徑孔為基本特征，并以此為載體進(jìn)行其他孔、倒角以及螺紋的創(chuàng)建。這樣的建模順序基本與工藝順序相符，同時特征的層次和關(guān)系清楚。在幾何特征的基礎(chǔ)上，利用特征的屬性定義方法進(jìn)行集成。通過對這樣的信息集成模型的應(yīng)用，下游可以方便地進(jìn)行設(shè)計信息由設(shè)計特征向工藝和加工特征的轉(zhuǎn)化和傳遞。面向制造的設(shè)計特征模塊界面如圖3所示。

基于制造的產(chǎn)品設(shè)計特征建模技術(shù)將制造信息提前至設(shè)計階段，對于每類設(shè)計特征都有與之相應(yīng)的加工方法與之相對應(yīng)，使特征的制造信息與特征設(shè)計信息高度一致，也使設(shè)計模式實現(xiàn)了統(tǒng)一化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。而由于設(shè)計制造單元特征的統(tǒng)一，使得設(shè)計不用再對模型特征進(jìn)行剖視標(biāo)注，大量的減輕標(biāo)注工作量，也能在一定程度上減少模型標(biāo)注信息的“刺猬現(xiàn)象”。

2 多學(xué)科仿真分析技術(shù)

航空發(fā)動機機械液壓裝置是一個復(fù)雜的機電液系統(tǒng)，包含了大量的執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動裝置、傳感器和控制器，在其研發(fā)過程中涉及有限元分析、控制、多體動力學(xué)、液壓等多個學(xué)科。為了追求產(chǎn)品性能最優(yōu)、結(jié)構(gòu)最簡、重量最輕，就需要運用計算機進(jìn)行多學(xué)科仿真分析，通過仿真-修正的迭代確定出最佳的參數(shù)匹配，使產(chǎn)品相關(guān)設(shè)計缺陷在物理成型前就能得到改善，極大提高了產(chǎn)品的可靠性，降低了生產(chǎn)成本[3]。

目前，航空發(fā)動機機械液壓裝置產(chǎn)品仿真主要涉及6個專業(yè)學(xué)科，包括：液壓控制系統(tǒng)仿真、結(jié)構(gòu)靜力學(xué)仿真、結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真、CFD流場仿真、多體動力學(xué)仿真、結(jié)構(gòu)熱仿真等。應(yīng)用不同的仿真分析工具針對仿真對象進(jìn)行有限元、動力學(xué)、運動學(xué)等分析，分析內(nèi)容包括對象的性能、強度、疲勞、模態(tài)、振動、溫度等。

液壓系統(tǒng)仿真是對液壓機械裝置的工作原理、功能和性能進(jìn)行仿真分析，最終確定液壓機械裝置的原理方案以及性能參數(shù)等；結(jié)構(gòu)靜力學(xué)仿真是對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在載荷等因素作用下內(nèi)力/變形的情況，解決產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計中的強度/剛度校核問題；結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真主要是對機械液壓產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)、動載荷和響應(yīng)之間關(guān)系的研究；流場仿真是利用CFD技術(shù)可以分析和顯示流場中的現(xiàn)象，從而在較短的時間內(nèi)預(yù)測流場；多體動力學(xué)仿真是對機械系統(tǒng)進(jìn)行運動仿真、接觸碰撞計算、剛?cè)狁詈嫌嬎愕阮愋蛦栴}的計算分析；結(jié)構(gòu)熱仿真主要進(jìn)行結(jié)構(gòu)零件在熱邊界條件或熱環(huán)境下的產(chǎn)品特性分析。

3 基于成熟度的設(shè)計制造并行協(xié)同技術(shù)

圖3 面向制造的設(shè)計特征模塊界面

為了協(xié)調(diào)設(shè)計部門與工藝制造部門之間的并行工作，根據(jù)機械液壓裝置典型零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點，對零件結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，綜合考慮設(shè)計數(shù)據(jù)產(chǎn)生的過程以及下游部門對不同數(shù)據(jù)的使用情況來確定模型的設(shè)計成熟度，成熟度階段定義見表1。

通過設(shè)計制造并行協(xié)同平臺Team center實現(xiàn)設(shè)計、工藝制造等部門在不同的成熟度階段而進(jìn)行的協(xié)同工作，將傳統(tǒng)有串行的設(shè)計制造工作模式轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿心Ｊ?，最大限度地提高設(shè)計效率。

航空發(fā)動機機械液壓裝置產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計發(fā)展趨勢

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的智能化

智能化就是要以知識工程思想為核心通過信息化手段實現(xiàn)知識的創(chuàng)新與應(yīng)用。以往的產(chǎn)品設(shè)計模式從二維原理圖（性能設(shè)計）到三維模型設(shè)計（結(jié)構(gòu)設(shè)計），兩者是彼此獨立，而未來產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計將二維原理圖與三維模型關(guān)聯(lián)映射，同時使功能元件布局與設(shè)計同步。具體實現(xiàn)方式為，在UG平臺上開發(fā)典型元組件庫、典型元組件特征庫、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計特征庫、油路設(shè)計及校核等工具。利用UG Schematics模塊完成原理圖設(shè)計，運用二次開發(fā)技術(shù)使原理圖中應(yīng)用的元件與庫內(nèi)元件及特征結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)（每一個典型元組件都對應(yīng)一個元組件特征結(jié)構(gòu)）。在新建一個空間產(chǎn)品裝配時，系統(tǒng)自動調(diào)用相關(guān)的元件結(jié)構(gòu)布置在基礎(chǔ)模型，設(shè)計人員通過對元件位置的布局，實現(xiàn)殼體設(shè)計及元件裝配過程（殼體只與元組件特征進(jìn)行布爾差運算），同時應(yīng)用油路設(shè)計與校核工具進(jìn)行殼體油路設(shè)計。

2 MBSE的實現(xiàn)

隨著航空發(fā)動機機械液壓裝置復(fù)雜度和集成度提高，如何考慮子系統(tǒng)耦合及提早集成產(chǎn)品成為最棘手的問題。這方面的最佳解決方案就是基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）。在單一平臺下，建立數(shù)字化虛擬樣機支持系統(tǒng)的需求分析、設(shè)計、校核和驗證，貫穿產(chǎn)品全生命周期[4]。在設(shè)計的早期把物理系統(tǒng)的模型和控制系統(tǒng)模型耦合起來建立機電一體化模型，在此基礎(chǔ)上對整體方案進(jìn)行分析、評估和優(yōu)化。隨后建立詳細(xì)子系統(tǒng)模型，一方面校核子系統(tǒng)性能，另一方面可在整個系統(tǒng)環(huán)境中校核子系統(tǒng)。虛擬樣機指導(dǎo)物理樣機的實現(xiàn)，提前進(jìn)行了多領(lǐng)域多學(xué)科的集成工作，避免不必要的重復(fù)設(shè)計，減少整機物理試驗的次數(shù)和成本。在未來，MBD平臺和MBSE平臺將會高度融合，設(shè)計和分析驗證密不可分，設(shè)計人員在進(jìn)行每一步詳細(xì)設(shè)計后均可便捷地進(jìn)行CAE分析，將產(chǎn)品缺陷消滅在設(shè)計階段。

表1 模型設(shè)計成熟度階段定義

結(jié)束語

航空發(fā)動機機械液壓裝置產(chǎn)品空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計、制造加工難度大，傳統(tǒng)的設(shè)計模式嚴(yán)重制約著產(chǎn)品的研制周期。隨著數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的不斷發(fā)展，基于制造的特征建模技術(shù)、基于成熟度的設(shè)計制造并行協(xié)同技術(shù)、多學(xué)科仿真技術(shù)的優(yōu)勢不斷顯現(xiàn)出來，極大的增強了產(chǎn)品研發(fā)效率。面對未來航空發(fā)動機對機械液壓裝置產(chǎn)品的高標(biāo)準(zhǔn)、高要求，只有不斷通過知識工程思想挖掘與創(chuàng)新產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計模式，才能源源不斷的為機械液壓裝置產(chǎn)品研制注入新的能量。

[1] 張曉東.航空發(fā)動機燃油控制系統(tǒng)復(fù)雜零件制造技術(shù)發(fā)展趨勢.航空制造技術(shù)，2015(12)： 55-58．

[2] 仇海柱.瀝青混凝土攤鋪機伸縮式熨平板數(shù)字化建模與有限元分析[D].吉林：吉林大學(xué)，2011．

[3] 李闊. AMESim仿真技術(shù)在航空動力控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.計算機仿真，2009，26(1)： 107-110．

[4] 李慶.飛機開發(fā)技術(shù)的全新突破—基于模型的系統(tǒng)工程.航空制造技術(shù)，2011(12)： 48-53．