基于數(shù)字孿生的商用航空發(fā)動機(jī)構(gòu)型管理

■ 張艷麗 孫振宇 李琦 郝朝杰 梁晶晶 / 中國航發(fā)商發(fā)

數(shù)字化仿真技術(shù)是航空發(fā)動機(jī)自主研發(fā)的必要手段，能夠顯著降低研發(fā)成本、縮短研制周期。通過建立產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字化管理流程，結(jié)合系統(tǒng)工程的構(gòu)型管理工具和手段，構(gòu)建基于數(shù)字孿生的商用航空發(fā)動機(jī)構(gòu)型管理框架成為一種必然。

我國的商用航空發(fā)動機(jī)自主研發(fā)起步晚、時間緊、技術(shù)攻堅難度大，構(gòu)型管理工作面臨數(shù)據(jù)量大、借鑒少、構(gòu)型多、變更勤，以及取證任務(wù)緊迫等困難。構(gòu)型管理作為產(chǎn)品全生命周期的系統(tǒng)工程，融合數(shù)字孿生（digital twin）的管理理念，通過構(gòu)型管理工具，利用數(shù)字化的手段驅(qū)動孿生體之間數(shù)據(jù)的相互流通和不斷修正，實現(xiàn)商用航空發(fā)動機(jī)的開發(fā)、設(shè)計、仿真測試和運維。

數(shù)字孿生的應(yīng)用發(fā)展

數(shù)字孿生概念是由美國空軍研究實驗室（AFRL）于2011年3月明確提出，之后的十余年在航空航天以及相關(guān)領(lǐng)域得到了發(fā)展和推廣，如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生飛機(jī)概念模型[1-2]

美國國家航空航天局（NASA）與AFRL合作的F-15戰(zhàn)斗機(jī)，在合作過程中構(gòu)建了戰(zhàn)斗機(jī)的數(shù)字孿生體，通過對在役飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)開展健康評估和損傷預(yù)測，提供預(yù)警并給出維修、更換的指導(dǎo)意見。美國洛克希德-馬?。羼R）公司生產(chǎn)的F-35“閃電”Ⅱ通過數(shù)字孿生技術(shù)，大大提升了軍用戰(zhàn)斗機(jī)制造和裝配的自動化程度。法國達(dá)索公司通過3D Experience提出了體驗平臺實現(xiàn)與產(chǎn)品的數(shù)字孿生互動，用飛機(jī)雷達(dá)示范開展驗證工作，并提出了未來推廣應(yīng)用至航空業(yè)、礦業(yè)、城市規(guī)劃等各種領(lǐng)域的數(shù)字孿生概念[3]。

數(shù)字孿生概念廣泛應(yīng)用于預(yù)測性維修服務(wù)，通過大量采集飛行數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等建立分析模型，通過模型數(shù)據(jù)來判斷磨損情況和預(yù)測維修時機(jī)，從而實現(xiàn)故障的預(yù)測和監(jiān)控。

構(gòu)型管理的數(shù)字孿生架構(gòu)

構(gòu)型管理通常分為五大模塊：構(gòu)型管理策劃、構(gòu)型標(biāo)識、構(gòu)型控制、構(gòu)型紀(jì)實和構(gòu)型審核，如圖2所示。通過對構(gòu)型管理核心模塊功能與數(shù)字孿生的耦合分析，可以構(gòu)建基于數(shù)字孿生的構(gòu)型管理架構(gòu)，如圖3所示。構(gòu)型管理五大核心模塊的數(shù)字化架構(gòu)各自獨立又緊密結(jié)合，相輔相成、互為輸入，最終構(gòu)建成了構(gòu)型管理的數(shù)字孿生架構(gòu)。

圖2 構(gòu)型管理五大模塊

圖3 基于數(shù)字孿生的構(gòu)型管理架構(gòu)

數(shù)字化的構(gòu)型管理策劃

作為龍頭和牽引的構(gòu)型管理策劃，在立項后需要搭建數(shù)字化的構(gòu)型管理策劃架構(gòu)，并在后期研制和驗證工作中不斷修正和優(yōu)化。

數(shù)字孿生的關(guān)鍵在于大量數(shù)據(jù)的挖掘，利用有效的標(biāo)識和序列關(guān)系，將無序的數(shù)據(jù)從物理實體映射到數(shù)字世界的孿生體，從而實現(xiàn)數(shù)字孿生的高保真建模，以及后續(xù)全生命周期數(shù)據(jù)在數(shù)字孿生體中的高效流動、數(shù)字管理以及健康管理等環(huán)節(jié)。數(shù)字主線為產(chǎn)品數(shù)字孿生提供訪問、整合和轉(zhuǎn)換的能力，其目標(biāo)是貫通產(chǎn)品全生命周期和價值鏈，實現(xiàn)全面追溯、雙向交互、價值鏈協(xié)同。

在產(chǎn)品全生命周期內(nèi)，構(gòu)型管理策劃對于取得有效的、可預(yù)測的、可重復(fù)的構(gòu)型管理流程十分重要。商用航空發(fā)動機(jī)具有零件多、設(shè)計復(fù)雜、材料跨領(lǐng)域大的特點，構(gòu)型策劃越早融合數(shù)字孿生，越能夠有效地對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分層和分類，越有利于形成高保真數(shù)字模型，為數(shù)字孿生奠定工具和方法論基礎(chǔ)。

數(shù)字化的構(gòu)型標(biāo)識

構(gòu)型標(biāo)識是對構(gòu)型項定義的過程，是構(gòu)型管理活動的基礎(chǔ)。標(biāo)識管理確保了對產(chǎn)品以及與產(chǎn)品相關(guān)的構(gòu)型文件進(jìn)行唯一的、清晰的標(biāo)識。明確構(gòu)型項管理要求，包括構(gòu)型項的劃分原則、劃分層級等管理要求[4]。作為標(biāo)識的最小要素構(gòu)型項，可以是獨立數(shù)據(jù)，也可以是一組數(shù)據(jù)的集合。

構(gòu)型標(biāo)識模塊的數(shù)字化架構(gòu)需要結(jié)合大數(shù)據(jù)的特性，合理選取構(gòu)型項，顆粒度太大不能充分抓取構(gòu)型特性，顆粒度太小會導(dǎo)致數(shù)據(jù)量龐大和冗余，在后期數(shù)字孿生的映射中出現(xiàn)數(shù)據(jù)虛點和映射漂移。

數(shù)字化的構(gòu)型控制

基于數(shù)字孿生的構(gòu)型控制要擺脫傳統(tǒng)方式的束縛，不僅要控制變更，而且要把控制方式數(shù)字化、自動化和實時化，否則無法跟隨數(shù)字孿生的演繹，數(shù)字孿生也不能精準(zhǔn)投射和進(jìn)入仿真階段。

通過構(gòu)型控制可以保證更改決定是基于全面了解更改產(chǎn)生的所有影響而做出的，更改信息須有序流通且可追溯，對產(chǎn)品的所有構(gòu)型狀態(tài)是可控的。通過實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效收集、反饋以及演變管理，可實現(xiàn)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的實時性和準(zhǔn)確性，確保數(shù)字模型的高保真度以及動態(tài)修正。

數(shù)字化的構(gòu)型審核

構(gòu)型審核是確保產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)可控的一種方式，通過構(gòu)型審核可確保產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)信息在全生命周期內(nèi)的一致性、完整性和符合性。構(gòu)型審核工作與產(chǎn)品的研制工作協(xié)同開展，可通過驗證產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)以及評價構(gòu)型管理工作的結(jié)果滿足要求與否，來識別產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)在研制過程中的潛在風(fēng)險。

通過對映射結(jié)果的審核和控制，確保了物理世界和數(shù)字世界的高保真度以及實時性，是實現(xiàn)數(shù)字孿生的有力抓手，從構(gòu)型管理層次監(jiān)控、審核和校核數(shù)據(jù)映射的結(jié)果以及過程。

數(shù)字化的構(gòu)型紀(jì)實

構(gòu)型紀(jì)實活動始于產(chǎn)品及構(gòu)型文件的初次形成，并貫穿產(chǎn)品的全生命周期，通過對整個構(gòu)型管理活動進(jìn)行記錄，保證數(shù)據(jù)的可追溯性。構(gòu)型紀(jì)實的環(huán)節(jié)，可以對數(shù)字孿生在不同維度和視角做切割剖視，并形成用于評估和分析的數(shù)據(jù)報表，這對于數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)管理有重大意義。

商用航空發(fā)動機(jī)的多試驗臺份構(gòu)型并存的特點給構(gòu)型紀(jì)實的數(shù)字化提出了更高要求，數(shù)字化的構(gòu)型紀(jì)實架構(gòu)必須按照研制特點做出準(zhǔn)確切分，測試機(jī)和原型機(jī)、臺份和臺次、試驗和拆解以及再上臺等構(gòu)型數(shù)據(jù)既有不同的紀(jì)實又有替代互換的構(gòu)型部分，紀(jì)實的數(shù)字孿生架構(gòu)必須是開放式的，便于后續(xù)數(shù)據(jù)的互換和引用。

構(gòu)型管理與數(shù)字孿生的高度融合

商用航空發(fā)動機(jī)的客戶差異、需求多樣和售后定制，決定了其構(gòu)型的復(fù)雜和多變，增加了構(gòu)型管理的難度。數(shù)字孿生的技術(shù)核心給構(gòu)型管理帶來了更好的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和處理方式，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：多領(lǐng)域、多尺度融合建模；數(shù)據(jù)驅(qū)動與物理模型融合的狀態(tài)評估；數(shù)據(jù)采集和傳輸；全生命周期數(shù)據(jù)管理；VR呈現(xiàn)；高性能計算[5]。所以，對于商用航空發(fā)動機(jī)的構(gòu)型管理，必須具備完備的數(shù)字化能力，脫離了數(shù)字化的構(gòu)型管理，無法實現(xiàn)商用航空發(fā)動機(jī)大數(shù)據(jù)的有效管理。只有建立基于數(shù)字孿生理念的構(gòu)型管理，才能夠讓數(shù)字孿生的映射在全生命周期內(nèi)更為精確。

而數(shù)字孿生技術(shù)核心不同方面的等級和優(yōu)先級的先后關(guān)系，必須依托有效的構(gòu)型管理手段，在商用航空發(fā)動機(jī)不同的生命階段進(jìn)行深度融合。數(shù)字化解決了數(shù)據(jù)的問題，而構(gòu)型管理作為工具和手段，確保了數(shù)據(jù)鏈的完整，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的映射和高保真?zhèn)鬟f。構(gòu)型管理運用的是系統(tǒng)工程思維，把航空發(fā)動機(jī)看成一個整體，立足于研制的全過程，解決產(chǎn)品的多樣性、不確定性和復(fù)雜性問題，保障復(fù)雜系統(tǒng)所需安全性水平。

構(gòu)型管理的五大模塊系統(tǒng)地對數(shù)字孿生開展了策劃和標(biāo)識，同時提供了對數(shù)據(jù)的多維度審核和紀(jì)實，從而在需求、功能與物理屬性高度一致的基礎(chǔ)上，建立高保真的數(shù)字孿生模型，真正實現(xiàn)商用航空發(fā)動機(jī)的加速開發(fā)，提高開發(fā)和生產(chǎn)等各個環(huán)節(jié)的有效性和經(jīng)濟(jì)性。商用航空發(fā)動機(jī)的數(shù)字孿生的核心是數(shù)字構(gòu)型化和構(gòu)型數(shù)字化，用基于數(shù)字孿生的構(gòu)型管理手段來解決商用航空發(fā)動機(jī)全生命周期的問題。

結(jié)束語

隨著存儲和計算成本的下降，數(shù)字孿生的應(yīng)用場景越來越多，收益也越來越顯著。數(shù)字孿生技術(shù)是未來降低航空發(fā)動機(jī)研發(fā)周期和成本，實現(xiàn)智能化制造和服務(wù)的必然選擇[6]。商用航空發(fā)動機(jī)開發(fā)作為一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，面臨技術(shù)革新快、現(xiàn)有測量手段局限、預(yù)測能力不足以及周期緊迫等問題。數(shù)字孿生的先進(jìn)性為解決這些問題帶來了巨大的推動作用，數(shù)字技術(shù)不只要開發(fā)出具備數(shù)字化特征的產(chǎn)品，更是要通過數(shù)字化手段改變產(chǎn)品全生命周期流程。面對商用航空發(fā)動機(jī)越來越突出的復(fù)雜性，建立合理且行之有效的基于數(shù)字孿生的構(gòu)型管理，規(guī)范產(chǎn)品研發(fā)秩序從而保障高保真建模和動態(tài)修正，符合適航當(dāng)局的嚴(yán)格要求以保障飛機(jī)的安全性水平非常迫切。