航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真標(biāo)準(zhǔn)體系淺析

劉曉玉

【摘 要】針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外仿真標(biāo)準(zhǔn)缺乏和凌亂的現(xiàn)狀對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行了研究和分析，首先分析了國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展歷程及趨勢(shì)，接著對(duì)國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合研制需求提出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真標(biāo)準(zhǔn)體系框架，用以指導(dǎo)制定具體的標(biāo)準(zhǔn)。

【關(guān)鍵詞】航空發(fā)動(dòng)機(jī)；仿真；標(biāo)準(zhǔn)體系

中圖分類號(hào)： TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）09-0130-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.09.060

作為飛機(jī)的心臟，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是各國(guó)研究和投入的重點(diǎn)。幾十年的發(fā)展，已使航空動(dòng)力工業(yè)成為知識(shí)密集、技術(shù)密集、高投入、高附加值的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。其具有發(fā)展周期長(zhǎng)、科研投入高，技術(shù)綜合性和對(duì)抗性強(qiáng)，預(yù)研究成果篩選率高和研制風(fēng)險(xiǎn)大等特點(diǎn)。其成本過高的一個(gè)重要原因是必需進(jìn)行大量大尺寸的試驗(yàn)，且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，這一投入還在急劇增加。而在此方面，計(jì)算機(jī)仿真具有巨大的優(yōu)勢(shì)：可以減少試驗(yàn)工作量，有效降低研制費(fèi)用，縮短研制周期。[1]

本文所提到的仿真限制為航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)仿真和半物理仿真，將仿真的概念限制為使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能計(jì)算、功能仿真、優(yōu)化和驗(yàn)證的工程活動(dòng)。

1 國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真能力的發(fā)展

20世紀(jì)80年代中后期，美國(guó)開展了高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)綜合技術(shù)（IHPTET）研究計(jì)劃，而迅速發(fā)展的CFD技術(shù)在IHPTET計(jì)劃的發(fā)展中占據(jù)了越來越重要的地位。為了充分利用先進(jìn)的、高速發(fā)展的數(shù)字化信息和通訊技術(shù)，促進(jìn)IHPTET計(jì)劃的加速進(jìn)行，NASA與美國(guó)國(guó)防部在航空航天推進(jìn)系統(tǒng)仿真（Aerospace Propulsion System Simulation， 簡(jiǎn)稱APSS）研究的基礎(chǔ)上，于1989年正式提出了發(fā)展推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)值仿真技術(shù)（Numerical Propulsion System Simulation，簡(jiǎn)稱NPSS）的研究計(jì)劃。

NPSS的研究目標(biāo)是以高性能計(jì)算平臺(tái)為基礎(chǔ)，以經(jīng)過驗(yàn)證的推進(jìn)系統(tǒng)各部件、系統(tǒng)及學(xué)科的工程模塊為核心，對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的性能、穩(wěn)定性、費(fèi)用、壽命及取證等進(jìn)行快速的、可支付得起的數(shù)值仿真計(jì)算，形成航空航天推進(jìn)系統(tǒng)“數(shù)值試車臺(tái)”，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)的高保真三維動(dòng)態(tài)多學(xué)科集成設(shè)計(jì)與分析，并最終實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)/飛行器的一體化綜合仿真。據(jù)估計(jì)，NPSS一旦研制成功和運(yùn)用，將通過減少重復(fù)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和昂貴的硬件設(shè)施建設(shè)等為生產(chǎn)商節(jié)約30%到40%的研制時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。無疑NPSS反映了當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真的最高水平，并代表了將來一個(gè)時(shí)期的發(fā)展趨勢(shì)和方向。[1]

與國(guó)外相比，我國(guó)雖然起點(diǎn)較低，但也在這方面做了相當(dāng)工作。航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真能力建設(shè)始于上世紀(jì)八十年代，采取各專業(yè)根據(jù)任務(wù)獨(dú)立發(fā)展的方式，沒有統(tǒng)一的發(fā)展規(guī)劃；主要工作集中在零維、一維的總體、部件仿真程序編制及簡(jiǎn)單的有限元計(jì)算?！笆濉敝?，各專業(yè)仿真能力發(fā)展有了相對(duì)完整的總體規(guī)劃，各專業(yè)相繼開展了理論模型研究、仿真軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)庫建設(shè)及初步的試驗(yàn)驗(yàn)證等工作，并引進(jìn)商業(yè)仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單的三維仿真驗(yàn)證。經(jīng)過三個(gè)“五年”計(jì)劃的持續(xù)支持以及信息化水平的不斷提高，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)初步形成了涵蓋總體、進(jìn)氣系統(tǒng)、壓氣機(jī)、渦輪、燃燒室、加力燃燒室等十余個(gè)專業(yè)的仿真能力，基本能夠支持從三維穩(wěn)態(tài)到非穩(wěn)態(tài)，從單學(xué)科到多學(xué)科（氣熱、氣固耦合），從單一的流場(chǎng)仿真到運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真、強(qiáng)度仿真、飛發(fā)一體化仿真等各類仿真分析工作，基本支撐了三代機(jī)、四代機(jī)研制。

2 國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)情況

為促進(jìn)仿真技術(shù)發(fā)展及提高仿真技術(shù)應(yīng)用水平，國(guó)外很早就開始仿真相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究與制定，部分國(guó)家軍方和一些國(guó)際組織均發(fā)布了一些列標(biāo)準(zhǔn)。如美國(guó)軍方實(shí)施了多個(gè)與仿真相關(guān)的計(jì)劃，包括基于仿真的采辦（Simulation Based Acquisition，SBA）、“建模仿真主計(jì)劃”（DoD Modeling and Simulation Master Plan，DoD 5000.59-P）、“采辦建模和仿真主計(jì)劃”（DoD Acquisition Modeling and Simulation Master Plan）等，并在各計(jì)劃中著重對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化工作做出了規(guī)劃。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)包括AIAA CFD數(shù)據(jù)交換推薦指南（The CFD General Notation System）、IEEE 1278.X系列標(biāo)準(zhǔn)：分布式交互仿真（Distributed Interactive Simulation，DIS）、ProSTEP推薦系列指南：仿真數(shù)據(jù)管理——仿真分析數(shù)據(jù)與PDM環(huán)境的集成（Simulation Data Management-Integration of Simulation and Computation in a PDM Environment（SimPDM））等。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)的協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)以CAE應(yīng)用的底層實(shí)現(xiàn)為主，其標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)象主要集中在數(shù)據(jù)交換格式、仿真數(shù)據(jù)管理及管理軟件、仿真元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及仿真業(yè)務(wù)流程等方面

隨著數(shù)字化技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用逐步深入，仿真技術(shù)在產(chǎn)品全生命周期中的作用也越來越突出，但是，目前我國(guó)并沒有制定與仿真或仿真建模相關(guān)的戰(zhàn)略規(guī)劃，而現(xiàn)有的一些國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也均是以直接轉(zhuǎn)化等效國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為主。國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)中與仿真相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)多以仿真試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為主，其標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容除包括數(shù)學(xué)仿真以外還包括實(shí)物仿真、半實(shí)物仿真等內(nèi)容，缺乏仿真計(jì)算、仿真優(yōu)化等方面的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，2012年起，持續(xù)形成了多份與仿真模型、仿真平臺(tái)建設(shè)和仿真模型管理方面的國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)。目前，航空航天工業(yè)行業(yè)及相關(guān)企業(yè)已經(jīng)開始結(jié)合各自的實(shí)際情況，制定與仿真技術(shù)應(yīng)用相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。其中航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以電子產(chǎn)品的可靠性仿真為主，航天行業(yè)在結(jié)構(gòu)有限元分析和控制系統(tǒng)仿真方面形成了部分標(biāo)準(zhǔn)，但從標(biāo)準(zhǔn)分析看，仿真標(biāo)準(zhǔn)尚未形成體系。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算機(jī)仿真標(biāo)準(zhǔn)體系框架及說明

航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真的目標(biāo)是建立有數(shù)據(jù)庫支持的，通過試驗(yàn)標(biāo)定的，達(dá)到工程實(shí)用程度的先進(jìn)的、可靠的、智能化、多功能的發(fā)動(dòng)機(jī)零維、一維、二維、三維發(fā)動(dòng)機(jī)部件和整機(jī)數(shù)值仿真系統(tǒng)。其主要作用包括：新一代部件、發(fā)動(dòng)機(jī)與子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)模擬；故障檢測(cè)與預(yù)估等。其中多功能是發(fā)動(dòng)機(jī)仿真的一個(gè)重要特點(diǎn)，多功能是指：流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)與多場(chǎng)耦合的數(shù)值仿真。[2]按照模塊化、層次化建模的思想，以提高數(shù)據(jù)一致性和數(shù)據(jù)共享能力為目標(biāo)，在分析各類型仿真的功能特性的基礎(chǔ)上，初步分析了航空發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算機(jī)仿真標(biāo)準(zhǔn)體系框架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。具體說明如下：

3.1 仿真基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)

基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)是共性的基礎(chǔ)方面的標(biāo)準(zhǔn)，主要包括術(shù)語和定義標(biāo)準(zhǔn)、元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、模塊管理標(biāo)準(zhǔn)（包括模塊劃分、模塊層次、模塊命名、模塊輸入輸出文件格式、參數(shù)命名等）、軟件文檔管理標(biāo)準(zhǔn)、信息分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 仿真管理標(biāo)準(zhǔn)

仿真管理標(biāo)準(zhǔn)包括項(xiàng)目管理標(biāo)準(zhǔn)（包括仿真軟件的論證與開發(fā)、仿真軟件評(píng)估和驗(yàn)收、及仿真軟件維護(hù)和優(yōu)化等標(biāo)準(zhǔn)）、配置管理標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)和安全保密管理標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 設(shè)計(jì)仿真標(biāo)準(zhǔn)

按照仿真軟件的功能特性，將設(shè)計(jì)仿真標(biāo)準(zhǔn)劃分為設(shè)計(jì)過程仿真標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)仿真標(biāo)準(zhǔn)、故障預(yù)估和檢測(cè)仿真標(biāo)準(zhǔn)3類，設(shè)計(jì)仿真標(biāo)準(zhǔn)以增強(qiáng)仿真模型建模的規(guī)范化和應(yīng)用的規(guī)范化，提高仿真結(jié)果的一致性為核心。其中：

——設(shè)計(jì)過程仿真是以知識(shí)、流程和規(guī)范為基礎(chǔ)形成的輔助設(shè)計(jì)工具，以流程模型，以及以流程模型為依托的數(shù)據(jù)庫和模型的集成應(yīng)用為核心。按照專業(yè)，其包括需求分析/論證/分解模型、總體設(shè)計(jì)模型、部件設(shè)計(jì)模型、系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型，及專業(yè)設(shè)計(jì)模型間的集成接口規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。各專業(yè)設(shè)計(jì)模型標(biāo)準(zhǔn)可能包含流程模型、子模型分類、各模型建模要求、模型接口數(shù)據(jù)要求、及設(shè)計(jì)信息的保存管理要求等

——設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)仿真是對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的一種多學(xué)科的校驗(yàn)，通過有限元分析等模擬零部件的實(shí)際工作環(huán)境和工作狀態(tài)，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性及設(shè)計(jì)部件的工作性能，從而為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。按照仿真類型，仿真模型可分為流場(chǎng)仿真模型、溫度場(chǎng)仿真模型、靜力學(xué)仿真模型、動(dòng)力學(xué)仿真模型等類型，及多學(xué)科聯(lián)合仿真的接口規(guī)范。各類型仿真模型標(biāo)準(zhǔn)中可能會(huì)包含結(jié)構(gòu)模型建模標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算模型建模標(biāo)準(zhǔn)、邊界條件標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)后處理標(biāo)準(zhǔn)等。

——故障預(yù)估和檢測(cè)仿真包括故障樹分析模型和發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷模型，是在發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理和性能數(shù)據(jù)及大量故障數(shù)據(jù)的積累的基礎(chǔ)上，進(jìn)行的故障預(yù)估和診斷。

3.4 制造仿真標(biāo)準(zhǔn)

制造仿真標(biāo)準(zhǔn)是按照工藝類型進(jìn)行的劃分，可分為機(jī)加仿真模型、鍛造仿真模型、鑄造仿真模型、復(fù)材加工仿真模型等。其中各類型模型標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)包括工藝模型建模標(biāo)準(zhǔn)、工裝模型建模標(biāo)準(zhǔn)、加工設(shè)備建模標(biāo)準(zhǔn)、刀具建模標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)控程序編制規(guī)范等。

3.5 計(jì)算機(jī)仿真資源庫標(biāo)準(zhǔn)

為支持仿真的進(jìn)行、仿真模型的持續(xù)優(yōu)化和仿真模型的快速構(gòu)建，需要形成相關(guān)的仿真資源數(shù)據(jù)庫，包括試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫、發(fā)動(dòng)機(jī)故障數(shù)據(jù)庫、材料庫、標(biāo)準(zhǔn)庫和模型庫。

3.6 計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)

仿真環(huán)境包括仿真系統(tǒng)所用到的計(jì)算機(jī)軟硬件要求，網(wǎng)絡(luò)要求，和圖像顯示要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]曹源，金先龍，孟光.航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)級(jí)仿真研究的回顧與展望，航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2004 vol.19 No.4.

[2]馮國(guó)泰，黃家驊，王松濤.航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真試驗(yàn)臺(tái)建設(shè)中幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題的討論，航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2002 Vol.17 No.4.