艦載機(jī)數(shù)字孿生體建模技術(shù)綜述

趙維 金曉橋 孟繁巍

（92728部隊(duì)，上海 200436）

0.引言

數(shù)字孿生是指充分利用物理模型、傳感器技術(shù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)等，集成多學(xué)科、多尺度的仿真模型，作為虛擬空間中對(duì)實(shí)體產(chǎn)品的鏡像，反映對(duì)應(yīng)物理實(shí)體產(chǎn)品的全壽命周期活動(dòng)。目前國(guó)外已開始數(shù)字孿生技術(shù)的工程化研究。本文研究分析艦載機(jī)數(shù)字孿生體建模涉及的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。

1.軍事需求分析

艦載機(jī)具有精密復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)高、結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)不方便等特征，艦載機(jī)需在高溫高鹽高濕的沿海、島礁機(jī)場(chǎng)和航母甲板長(zhǎng)期駐扎，阻攔著艦時(shí)機(jī)體需要承擔(dān)巨大縱向過載，因此結(jié)構(gòu)腐蝕和損傷情況高發(fā)，這些損傷是嚴(yán)重的安全隱患，導(dǎo)致艦載機(jī)的安全性和壽命普遍低于陸基飛機(jī)，急需尋找手段來滿足艦載機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與安全性分析等工作的需要。數(shù)字孿生概念是由美軍空軍研究實(shí)驗(yàn)室提出用于解決軍用飛機(jī)的結(jié)構(gòu)監(jiān)控等需求的方案，可在艦載機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)控領(lǐng)域發(fā)揮重要作用[3]。

2.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室于2011年提出數(shù)字孿生體概念，用于計(jì)算飛行中飛機(jī)的結(jié)構(gòu)和溫度變化，分析局部損傷和材料狀態(tài)的演變；2012年該實(shí)驗(yàn)室提出了“機(jī)身數(shù)字孿生體”，用于設(shè)計(jì)和維護(hù)數(shù)字機(jī)身，為每架飛機(jī)各自建模并作為一個(gè)虛擬健康傳感器，預(yù)測(cè)每架飛機(jī)未來維護(hù)需求，以期改善飛機(jī)全壽命周期中的管理方式[4]。隨著工業(yè)4.0等概念的提出，波音公司、西門子、洛克希德?馬丁公司、通用電氣等世界級(jí)知名制造商，均致力于數(shù)字孿生體技術(shù)的研究和應(yīng)用工作，并在部分項(xiàng)目中得到實(shí)際應(yīng)用[2]。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)目前開展數(shù)字孿生技術(shù)的研究已比較多，尤其是對(duì)基于數(shù)字孿生的集成制造技術(shù)的研究非常多，如北京衛(wèi)星制造廠張玉良等提出的面向航天器在軌裝配的數(shù)字孿生技術(shù)，成飛公司陳振等提出基于數(shù)字孿生管控飛機(jī)裝配車間，劉亞威提出的數(shù)字孿生技術(shù)助力航空生產(chǎn)、北航于勇等提出的數(shù)字孿生體在飛機(jī)構(gòu)型管理中的應(yīng)用、陶飛等提出的數(shù)字孿生車間等，但目前主要以理論研究為主，研究應(yīng)用的深度仍較有限[5-9]。

3.數(shù)字孿生體建模關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 超現(xiàn)實(shí)多物理量個(gè)性化建模技術(shù)

超現(xiàn)實(shí)多物理量個(gè)性化建模是開展艦載機(jī)數(shù)字孿生體建模的基礎(chǔ)，需要為艦載機(jī)建立個(gè)性化的整機(jī)和部件的超現(xiàn)實(shí)幾何模型，包括每架艦載機(jī)在材料微觀結(jié)構(gòu)、缺陷、制造異常等的細(xì)微差別；同時(shí)建立熱量傳輸模型、動(dòng)力學(xué)模型、應(yīng)力分析模型和疲勞模型等，各個(gè)模型需要高度耦合在一起[5]。

3.2 結(jié)構(gòu)件多尺度損傷建模技術(shù)

損傷的分布和類型取決于材料和制造工藝，需要將物理模型整合到結(jié)構(gòu)有限元分析中，建立損傷時(shí)間變化率與應(yīng)力時(shí)間變化率的聯(lián)合模型，比如小時(shí)間尺度疲勞裂紋擴(kuò)展模型；同時(shí)損傷不僅限于疲勞裂紋，還包括蠕變、微動(dòng)和磨損、復(fù)合材料中的分層和微裂紋、熱機(jī)械疲勞、腐蝕和氧化以及面板屈曲等，必須探索各種損傷機(jī)制之間協(xié)同作用，最終建立各種損傷的多尺度物理模型[5]。

3.3 艦載機(jī)結(jié)構(gòu)與健康綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)

對(duì)艦載機(jī)結(jié)構(gòu)與健康進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集是構(gòu)建數(shù)字孿生體的關(guān)鍵步驟，用于收集艦載機(jī)正常條件和不利條件下飛行的各類數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)受損結(jié)構(gòu)損傷的診斷和預(yù)測(cè)，確保能持續(xù)安全運(yùn)行。其前提是要為艦載機(jī)研制滿足要求的傳感器系統(tǒng)，比如為攔阻鉤、起落架、縱梁等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)安裝損傷檢測(cè)傳感器，以采集足夠的建模和分析數(shù)據(jù)。

3.4 不確定性建模和校模技術(shù)

由于數(shù)字孿生體的真實(shí)性不可能做到與對(duì)應(yīng)的實(shí)裝艦載機(jī)狀況完全一致，隨著時(shí)間的推移，數(shù)字孿生體中的不確定性會(huì)累積到不可接受的水平，需通過必要手段進(jìn)行控制。目前動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一種比較好的模型校準(zhǔn)方法，利用動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)跟蹤時(shí)變變量的演化，并對(duì)時(shí)變變量進(jìn)行標(biāo)定；也可利用動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)未來裂紋擴(kuò)展的概率[5]。

3.5 連續(xù)飛行載荷模擬技術(shù)

數(shù)字孿生體的運(yùn)行需要對(duì)飛行的連續(xù)時(shí)間歷程進(jìn)行模擬，目前國(guó)外已提出的思路是通過耦合飛行動(dòng)力學(xué)模型和氣動(dòng)彈性解算器解決該問題，并正在使用F/A-18的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證工作，該方法能更好地表示飛機(jī)上的載荷，產(chǎn)生的高保真載荷有利于飛機(jī)設(shè)計(jì)和跟蹤疲勞損傷的發(fā)展。

3.6 超大型共享數(shù)據(jù)庫(kù)操作技術(shù)

在文獻(xiàn)[4]中，估算每個(gè)數(shù)字孿生體虛擬飛行1小時(shí)輸出大約1PB（1024TB）的材料、結(jié)構(gòu)及損傷數(shù)據(jù)，目前的存儲(chǔ)設(shè)備發(fā)展水平很難滿足如此海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需求，需要解決數(shù)據(jù)的分布式快速處理、共享存儲(chǔ)、超高速網(wǎng)絡(luò)通訊等問題。

3.7 海量數(shù)據(jù)分析計(jì)算技術(shù)

經(jīng)初步估算，將1個(gè)小時(shí)1PB虛擬飛行數(shù)據(jù)中的1%進(jìn)行可視化，按照目前10MB/s的處理速度，需要35個(gè)工作日，其計(jì)算能力需求已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前主流圖形工作站的性能，需要在數(shù)學(xué)方法、算法及其工程實(shí)現(xiàn)等方面不斷創(chuàng)新，解決耦合偏微分方程、量化不確定性、設(shè)計(jì)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)、處理大量有噪聲的數(shù)據(jù)等技術(shù)難題，最終突破高分辨率結(jié)構(gòu)分析計(jì)算技術(shù)。

4.發(fā)展建議

（1）數(shù)字孿生涉及理論復(fù)雜，應(yīng)加大其基礎(chǔ)理論研究支持工作，引導(dǎo)相關(guān)科研人員加大理論研究力度和深度。

（2）深化軍事需求和應(yīng)用研究，研究數(shù)字孿生仿真技術(shù)在艦載機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)控、全壽命周期管理等方面的應(yīng)用模式，為研究工作提供牽引和指導(dǎo)。

（3）支持新型傳感器研制工作，實(shí)現(xiàn)該關(guān)鍵零部件的自主可控，滿足功能性能和安裝形式定制等需求。

（4）應(yīng)結(jié)合飛機(jī)型號(hào)研制任務(wù)，適時(shí)開展關(guān)鍵技術(shù)的原理驗(yàn)證工作，最終具備開展系統(tǒng)性演示驗(yàn)證甚至工程化實(shí)現(xiàn)的能力。

5.結(jié)論

本文介紹了數(shù)字孿生的基本概念、軍事需求、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)外主要差距，較系統(tǒng)地分析了實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)數(shù)字孿生體建模涉及的關(guān)鍵技術(shù)，提出了發(fā)展建議，可為科研人員研究數(shù)字孿生技術(shù)提供參考和指導(dǎo)。