數(shù)字孿生在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用分析

■ 王樂(lè) 周軍 崔艷林 / 中國(guó)航發(fā)渦輪院

隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能發(fā)動(dòng)機(jī)等概念的提出和興起，一種能夠?qū)崿F(xiàn)物理世界與虛擬信息世界交互與融合的技術(shù)手段——數(shù)字孿生（Digital Twin）應(yīng)運(yùn)而生，為解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中日益突出的多系統(tǒng)、多維度協(xié)調(diào)任務(wù)與不斷提高的設(shè)計(jì)效率、驗(yàn)證準(zhǔn)確性、輔助決策的高效性之間的矛盾提供了新的思路。

數(shù)字孿生技術(shù)是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。數(shù)字孿生不是簡(jiǎn)單的仿真模擬、不是單純的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)、不是一成不變的系統(tǒng)，而是面向包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、加工制造、運(yùn)行維護(hù)的全生命周期，可以根據(jù)產(chǎn)品的行為和變化而不斷演化的數(shù)字映射系統(tǒng)（如圖1所示）。2013年，美國(guó)空軍發(fā)布《全球地平線》頂層科技規(guī)劃，將數(shù)字孿生稱為“改變游戲規(guī)則”的顛覆性機(jī)遇；2016年和2017年，信息技術(shù)研究與顧問(wèn)咨詢公司高德納（Gartner）將數(shù)字孿生列為當(dāng)年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)之一；2017年11月，美國(guó)武器生產(chǎn)商洛克希德-馬丁公司將數(shù)字孿生列為未來(lái)航空航天與國(guó)防的6大頂尖技術(shù)之首。近年來(lái)，基于數(shù)字孿生技術(shù)的創(chuàng)造性和顛覆性，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)逐漸從理論研究快速向工程應(yīng)用轉(zhuǎn)變，該項(xiàng)技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期的各個(gè)階段也有所應(yīng)用。

數(shù)字孿生技術(shù)用于設(shè)計(jì)

基于數(shù)字孿生的航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的意義

圖1 數(shù)字孿生在產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的應(yīng)用示意

基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是指在產(chǎn)品數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下，利用已有物理產(chǎn)品與虛擬產(chǎn)品在設(shè)計(jì)中的協(xié)同作用，不斷挖掘產(chǎn)生新穎、獨(dú)特、具有價(jià)值的產(chǎn)品概念，將其轉(zhuǎn)化為詳細(xì)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，以降低產(chǎn)品實(shí)際行為與設(shè)計(jì)期望行為間的不一致性。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)階段，數(shù)字孿生的主要作用在于：根據(jù)用戶要求，構(gòu)建發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型，形成發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生體，并對(duì)其性能和功能進(jìn)行多系統(tǒng)聯(lián)合仿真，快速驗(yàn)證產(chǎn)品的設(shè)計(jì)功能。

數(shù)字孿生技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的典型應(yīng)用案例

2018年2月，羅羅公司提出了“智能發(fā)動(dòng)機(jī)”（Intelligence Engine）愿景，希望借助數(shù)字孿生等數(shù)字化技術(shù)，建立航空動(dòng)力的互聯(lián)性，使發(fā)動(dòng)機(jī)具有情境感知和理解能力。此后，在“智能發(fā)動(dòng)機(jī)”愿景的推動(dòng)下，羅羅公司為發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)葉片都創(chuàng)建了數(shù)字孿生體，并于2019年成功測(cè)試了“超扇”（UltraFan）發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案。

GE航空集團(tuán)將數(shù)字孿生技術(shù)視為加速未來(lái)先進(jìn)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要推動(dòng)力，并專門開(kāi)發(fā)了數(shù)字孿生工業(yè)云平臺(tái)Predix，目前正在該平臺(tái)上開(kāi)展先進(jìn)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)（Advanced Turboprop，ATP）的研制工作，用作公務(wù)機(jī)和通用飛機(jī)的動(dòng)力。

俄羅斯聯(lián)合航空制造集團(tuán)公司（UEC）下屬的禮炮制造中心從2019 年年底開(kāi)始將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，其目的在于打造統(tǒng)一的數(shù)字平臺(tái)（如圖2 所示），整合所有產(chǎn)品和數(shù)學(xué)模擬過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、文件和專業(yè)化軟件程序，該中心使用了多種數(shù)值模擬方法，每種方法都對(duì)應(yīng)特定的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)階段，目前技術(shù)人員正準(zhǔn)備將該數(shù)字平臺(tái)集成至數(shù)值模擬方法中，后續(xù)該技術(shù)將運(yùn)用到雅克-130 飛機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)以及發(fā)動(dòng)機(jī)的部件調(diào)試和驗(yàn)證試驗(yàn)中。

數(shù)字孿生技術(shù)用于試驗(yàn)

基于數(shù)字孿生的航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的意義

數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的測(cè)試／檢測(cè)模式是指在虛擬空間中構(gòu)建高保真的測(cè)試系統(tǒng)及被測(cè)對(duì)象虛擬模型，借助測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、測(cè)試指令傳輸執(zhí)行技術(shù)，在歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)物理被測(cè)對(duì)象和虛擬被測(cè)對(duì)象的多學(xué)科、多尺度、多物理屬性的高逼真度仿真與交互，從而直觀、全面地反映出產(chǎn)品全生命周期的狀態(tài)，有效支撐基于數(shù)據(jù)和知識(shí)的科學(xué)決策。數(shù)字孿生技術(shù)不僅可以用于建立精確的航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型，還可以用于開(kāi)展大量的虛擬試驗(yàn)和適航性驗(yàn)證試驗(yàn)，包括開(kāi)展加溫、冷卻及氣動(dòng)載荷作用下的模擬試驗(yàn)、模擬葉片斷裂的特種試驗(yàn)、吞鳥(niǎo)試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)可靠性和耐久性試驗(yàn)等。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，數(shù)字孿生的主要作用在于：設(shè)計(jì)階段通過(guò)一系列可重復(fù)、可變參數(shù)、可加速的虛擬試驗(yàn)，提前驗(yàn)證航空發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況和外部條件下的性能情況。在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)從傳感器上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)實(shí)時(shí)反映發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體的整個(gè)行為過(guò)程，通過(guò)試驗(yàn)過(guò)程中獲取的數(shù)據(jù)查找故障原因，預(yù)測(cè)可能發(fā)生的故障及模型優(yōu)化和修正。

數(shù)字孿生技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)領(lǐng)域的典型應(yīng)用案例

俄羅斯航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)計(jì)劃在2024年完成數(shù)字孿生技術(shù)引入工作，計(jì)劃通過(guò)開(kāi)展模擬真實(shí)條件下虛擬試驗(yàn)、開(kāi)發(fā)高保真驗(yàn)證模型、采用專門的計(jì)算結(jié)果分析方法來(lái)提高測(cè)試質(zhì)量，減少試驗(yàn)項(xiàng)目。預(yù)計(jì)該項(xiàng)技術(shù)將用于TV7-117ST、AI-222-25渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和其他民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)中。目前，數(shù)字孿生技術(shù)在俄羅斯航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域已得到了實(shí)際應(yīng)用。聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)公司（UEC）下屬土星科研生產(chǎn)聯(lián)合體在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，會(huì)同時(shí)建立其數(shù)字孿生體。通過(guò)該數(shù)字孿生體，工程人員可以實(shí)時(shí)了解到發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)工作過(guò)程，有效查找和排除臺(tái)架試驗(yàn)階段發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，建立起實(shí)物與數(shù)字孿生體的互聯(lián)互通。

數(shù)字孿生技術(shù)用于制造加工

基于數(shù)字孿生的航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造加工的意義

圖2 禮炮制造中心開(kāi)發(fā)的數(shù)字孿生工作平臺(tái)

數(shù)字孿生起源于工業(yè)制造，主要的應(yīng)用對(duì)象也是工業(yè)制造。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造加工中，數(shù)字孿生的主要作用體現(xiàn)在設(shè)備層、產(chǎn)線層和工廠層的數(shù)字虛擬化。在設(shè)備層，通過(guò)在研制初期建立的數(shù)字孿生體，進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造設(shè)備、制造流程、電氣設(shè)備、軟件同步設(shè)計(jì)，通過(guò)數(shù)字孿生體驗(yàn)證制造過(guò)程，在驗(yàn)證過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，只需修正模型，修正完成后再次執(zhí)行仿真，直至正確完成整個(gè)加工過(guò)程。在產(chǎn)線層，通過(guò)建立物理生產(chǎn)線的數(shù)字孿生體，提前進(jìn)行安裝、測(cè)試工藝仿真，模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造的整個(gè)工藝流程。在工廠層，借助數(shù)字孿生體，建立數(shù)字化生產(chǎn)鏈和生產(chǎn)車間，實(shí)現(xiàn)計(jì)劃、質(zhì)量、物料、人員和設(shè)備的數(shù)字化管理。

數(shù)字孿生技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)加工制造領(lǐng)域的典型應(yīng)用案例

洛克希德-馬丁公司利用數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)建“數(shù)字主線”（Digital Thread）的工作模式，改進(jìn)了多個(gè)工作流程。通過(guò)流程改進(jìn)，公司處理F-35進(jìn)氣道加工缺陷的決策時(shí)間縮短了33%，此項(xiàng)創(chuàng)舉獲得了2016年美國(guó)國(guó)防技術(shù)制造金獎(jiǎng)。

2018年7月，土星科研生產(chǎn)聯(lián)合體建立了采用數(shù)字孿生技術(shù)的生產(chǎn)車間，來(lái)開(kāi)展燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)及其組件制造生產(chǎn)鏈的數(shù)字化工作，并應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將數(shù)據(jù)感應(yīng)、采集與生產(chǎn)控制系統(tǒng)及車間數(shù)字孿生關(guān)聯(lián)在一起，以實(shí)現(xiàn)實(shí)物和孿生體的互聯(lián)共生。

2019年年底，俄羅斯圣彼得堡理工大學(xué)完成了TV7-117ST-01渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目第一階段工作。該項(xiàng)目的目的是減輕航空發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量，根據(jù)數(shù)字和智慧工廠的運(yùn)營(yíng)原則開(kāi)發(fā)新的生產(chǎn)流程。使用數(shù)字孿生技術(shù)后，未來(lái)預(yù)計(jì)可使該型發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量減輕50%。

2019年德國(guó)弗勞恩霍夫研究所與愛(ài)立信公司合作開(kāi)展了數(shù)字孿生在整體葉盤(pán)制造過(guò)程中的應(yīng)用探索，應(yīng)用數(shù)字孿生結(jié)合5G、人工智能等新技術(shù)，提出了整體葉盤(pán)高性能加工的技術(shù)解決方案，實(shí)現(xiàn)了整體葉盤(pán)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)控制。

數(shù)字孿生技術(shù)用于運(yùn)營(yíng)維護(hù)

基于數(shù)字孿生的航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)營(yíng)維護(hù)的意義

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段，數(shù)字孿生的主要作用在于：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用情況、運(yùn)行維護(hù)記錄，進(jìn)行健康診斷和分析，提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品潛在質(zhì)量問(wèn)題，進(jìn)行預(yù)警，自動(dòng)觸發(fā)自愈機(jī)制或提出解決方案來(lái)降低損害，同時(shí)將運(yùn)行信息反饋給設(shè)計(jì)部門，以優(yōu)化設(shè)計(jì)、改善產(chǎn)品性能。

數(shù)字孿生在航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)營(yíng)維護(hù)領(lǐng)域的典型應(yīng)用案例

GE航空集團(tuán)已經(jīng)將數(shù)字孿生技術(shù)成功應(yīng)用到了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)領(lǐng)域。GE航空集團(tuán)認(rèn)為，從概念設(shè)計(jì)階段就建立數(shù)字孿生體，這樣更有利于建立發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)模型與運(yùn)行數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。GE航空集團(tuán)通過(guò)匯總設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行各階段積累的數(shù)據(jù)及發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體在各階段的情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)、故障診斷、性能預(yù)測(cè)和控制優(yōu)化，其中就包括建立了波音777飛機(jī)的GE90發(fā)動(dòng)機(jī)葉片數(shù)字孿生體，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)葉片的工作狀態(tài)，特別是在中東等容易造成零件材料腐蝕剝落的沙漠地區(qū)。

基于數(shù)字孿生技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際應(yīng)用，GE航空集團(tuán)還開(kāi)發(fā)了預(yù)測(cè)性維修和維護(hù)產(chǎn)品——TrueChoice，幫助客戶優(yōu)化全生命周期內(nèi)的成本。羅羅公司則在智能發(fā)動(dòng)機(jī)愿景的框架下建立了全套數(shù)學(xué)模型，并將發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體工作時(shí)的場(chǎng)景映射到數(shù)字孿生體來(lái)改進(jìn)和調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和發(fā)動(dòng)機(jī)高效維護(hù)。

數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的作用

目前，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字化應(yīng)用水平還比較低，體系化程度不足。在組織模式方面，我國(guó)采取廠所分離的形式，串行研制模式還未得以改善；在全生命周期管理方面，協(xié)作和管理平臺(tái)的應(yīng)用才剛起步；在研制方法方面，仍廣泛采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、加工和維護(hù)方法，數(shù)字化程度較低。面對(duì)新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制需求，我們迫切需要采用先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)來(lái)提高研制能力，縮短與國(guó)際先進(jìn)水平的差距。

統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理平臺(tái)，解決數(shù)據(jù)孤島和數(shù)據(jù)利用問(wèn)題

目前，國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、加工制造和健康管理還未建成統(tǒng)一的管理平臺(tái)，各自為營(yíng)，不成體系。試驗(yàn)數(shù)據(jù)由試驗(yàn)人員統(tǒng)一管理和處理，設(shè)計(jì)人員無(wú)法直接訪問(wèn)或獲取原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)，不利于從原始數(shù)據(jù)方面入手排故。試驗(yàn)數(shù)據(jù)在處理或傳遞過(guò)程可能會(huì)因存儲(chǔ)不當(dāng)或人為因素造成篡改或缺失，不利于保證設(shè)計(jì)分析的正確性。試驗(yàn)人員在進(jìn)行試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)，也無(wú)法查看設(shè)計(jì)文件，無(wú)法詳細(xì)了解設(shè)計(jì)方案和目的，不利于試驗(yàn)人員設(shè)計(jì)和優(yōu)化試驗(yàn)方案，從而有針對(duì)性地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。此外，工藝和維修人員無(wú)法訪問(wèn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)平臺(tái)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，無(wú)法更全面地了解航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整體情況，只能基于傳統(tǒng)的工藝流程和經(jīng)驗(yàn)開(kāi)展相關(guān)工作。

數(shù)字孿生是以數(shù)字主線為基礎(chǔ)，貫穿于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、生產(chǎn)制造和健康管理的全生命周期流程。產(chǎn)品研發(fā)的各階段均在統(tǒng)一的工作平臺(tái)內(nèi)完成，生成的所有孿生數(shù)據(jù)、孿生模型和孿生過(guò)程均存儲(chǔ)在同一平臺(tái)內(nèi)。在整個(gè)平臺(tái)內(nèi)，參與航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的所有人員都可以在系統(tǒng)內(nèi)訪問(wèn)所有歷史數(shù)據(jù)，包括最近更新的數(shù)據(jù)。訪問(wèn)權(quán)限取決于設(shè)定的用戶角色，以保證工作的透明性、加強(qiáng)管控、保證后續(xù)使用數(shù)據(jù)完好無(wú)損。并且，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期過(guò)程均以數(shù)據(jù)模型的形式存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)空間中，可以有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可溯源、可復(fù)現(xiàn)。系統(tǒng)還可以自動(dòng)生成發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前計(jì)算結(jié)果與設(shè)定要求匹配度報(bào)告，加快產(chǎn)品研制過(guò)程和內(nèi)部數(shù)據(jù)交互速度。

加快設(shè)計(jì)-驗(yàn)證迭代，解決試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)和試驗(yàn)條件限制問(wèn)題

對(duì)于傳統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)，需要開(kāi)展大量的試驗(yàn)進(jìn)行可靠性、安全性和特性驗(yàn)證，耗時(shí)較長(zhǎng)。完成驗(yàn)證后，還需要根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果反復(fù)迭代、多次修正，產(chǎn)品調(diào)試時(shí)間長(zhǎng)，花費(fèi)成本高。對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的要求也很高，需要建立專門的地面臺(tái)、高空臺(tái)、飛行臺(tái)。而且，試驗(yàn)具有局限性，無(wú)法模擬一些極端工況。

采用數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬試驗(yàn)?zāi)M。開(kāi)展虛擬試驗(yàn)不需要建立任何的實(shí)體試驗(yàn)設(shè)備，還可以縮減大量地面和飛行試驗(yàn)數(shù)量。只需將設(shè)計(jì)階段建立的數(shù)字孿生體放置在虛擬試驗(yàn)場(chǎng)，設(shè)置真實(shí)的試驗(yàn)環(huán)境開(kāi)展試驗(yàn)，就可以驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能，指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體的試驗(yàn)與測(cè)試安排。此外，進(jìn)行虛擬試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上的傳感器安裝位置已經(jīng)精確設(shè)定，所需開(kāi)展的試驗(yàn)工況也已確定。在開(kāi)展樣機(jī)試驗(yàn)時(shí)，技術(shù)人員無(wú)須再花費(fèi)大量的時(shí)間來(lái)確定傳感器的分布位置，考慮最佳試驗(yàn)循環(huán)數(shù)。試驗(yàn)完成后，采用數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算和分析，降低了人為因素引起數(shù)據(jù)缺失或篡改的可能性，縮短了人工手動(dòng)處理數(shù)據(jù)的時(shí)間。數(shù)字孿生技術(shù)還可以用于模擬非機(jī)載狀態(tài)，幫助技術(shù)人員快速了解發(fā)動(dòng)機(jī)一些參數(shù)、外部條件、附件故障時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況。根據(jù)俄羅斯禮炮制造中心和英國(guó)安本（Aberdeen）集團(tuán)預(yù)測(cè)，采用數(shù)字孿生技術(shù)后，可以縮短15%～20%的研制周期，節(jié)約27%的研發(fā)成本。

多學(xué)科設(shè)計(jì)，解決傳統(tǒng)模擬仿真方法精度不高和仿真限制問(wèn)題

我國(guó)各科研院所和企業(yè)在進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的過(guò)程中廣泛采用CAD、CAE、UG等模擬仿真軟件，盡管這些軟件的功能已經(jīng)非常強(qiáng)大，但具有不確定性和非線性等問(wèn)題，產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)需要耗費(fèi)大量的人力、物力成本進(jìn)行處理，還需要根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)不斷地手動(dòng)迭代來(lái)修正模型。此外，傳統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真建模是以獨(dú)立的單元體為基礎(chǔ)，各單元體之間沒(méi)有關(guān)聯(lián)和交叉，耦合性不強(qiáng)。

數(shù)字孿生系統(tǒng)是一個(gè)帶自學(xué)功能的高精度系統(tǒng)。它不僅可以通過(guò)模型驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)不斷優(yōu)化用于解決傳統(tǒng)機(jī)理模型無(wú)法解決的一些問(wèn)題，還能從靜態(tài)結(jié)構(gòu)組成和動(dòng)態(tài)過(guò)程兩方面確保研制精度。靜態(tài)方面來(lái)講，數(shù)字孿生技術(shù)是集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真系統(tǒng)，由許多相互關(guān)聯(lián)的物理和數(shù)學(xué)模型組成，每個(gè)模型均可以描述發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力學(xué)、強(qiáng)度、聲學(xué)、氣動(dòng)性能。模擬的過(guò)程中考慮了材料、幾何形狀、電子線路、控制系統(tǒng)等因素的影響，可以在考慮控制系統(tǒng)智能算法工作，有效結(jié)合虛擬試驗(yàn)、全機(jī)樣機(jī)試驗(yàn)、子系統(tǒng)樣機(jī)試驗(yàn)與設(shè)計(jì)要求的匹配情況下開(kāi)展復(fù)雜過(guò)程深度分析。動(dòng)態(tài)方面來(lái)講，數(shù)字孿生體是對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程的真實(shí)反應(yīng)，雙方互聯(lián)互通。航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體通過(guò)傳感器將數(shù)據(jù)映射至數(shù)字孿生體。數(shù)字孿生體在不斷接收實(shí)體數(shù)據(jù)的過(guò)程中演化。接收到的數(shù)據(jù)不僅可以用于反映實(shí)體的使用行為，驗(yàn)證計(jì)算模型，如零部件內(nèi)部載荷、幅頻特性、總振動(dòng)量、噪聲、壓力脈動(dòng)、溫度和疲勞損傷等，還可以用于不斷修正和優(yōu)化模型、改進(jìn)設(shè)計(jì)和加工，避免開(kāi)展大量的樣機(jī)試驗(yàn)。實(shí)體發(fā)動(dòng)機(jī)與數(shù)字孿生體間的誤差不超過(guò)5%。根據(jù)數(shù)字孿生技術(shù)研制航空發(fā)動(dòng)機(jī)有可能一次就通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)和國(guó)家試驗(yàn)。

結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字孿生技術(shù)作為各先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)大力發(fā)展的一種技術(shù)，可以提高整個(gè)研制過(guò)程的有效性、經(jīng)濟(jì)性和安全性，從而達(dá)到縮短產(chǎn)品的研制周期、降低研制成本的目的。針對(duì)我國(guó)當(dāng)前廣泛采用的傳統(tǒng)模擬仿真技術(shù)的缺點(diǎn)和研制、生產(chǎn)、維護(hù)多方斷口式工作模式造成發(fā)動(dòng)機(jī)研制周期長(zhǎng)、費(fèi)用高的特點(diǎn)，數(shù)字孿生技術(shù)以其在數(shù)據(jù)使用和管理、模擬仿真的高精度、解決問(wèn)題能力強(qiáng)等方面的優(yōu)勢(shì)，將成為我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)趕超國(guó)際先進(jìn)發(fā)展水平的重要手段和強(qiáng)有力的助推劑。