數(shù)字孿生在壓氣機(jī)試驗(yàn)中的應(yīng)用探索

■ 張志博 江建玲 賈博博 / 中國航發(fā)動(dòng)力所

數(shù)字孿生技術(shù)已成為未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一個(gè)重要發(fā)展方向。將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到壓氣機(jī)試驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)虛擬試驗(yàn)與物理試驗(yàn)相融合，將顯著提升壓氣機(jī)試驗(yàn)測(cè)試能力。

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的不斷提高，壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)難度也越來越高，壓氣機(jī)試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)增大、試驗(yàn)頻率顯著增加。隨著對(duì)性能分析的深度與廣度的需求全面提升、試驗(yàn)效能的要求越來越高，試驗(yàn)系統(tǒng)越來越復(fù)雜、試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)難度也隨之增大，以現(xiàn)階段傳統(tǒng)的壓氣機(jī)試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)對(duì)未來的新需求存在較大難度。數(shù)字孿生技術(shù)具有高保真建模與仿真、系統(tǒng)集成度高、虛實(shí)映射、全生命周期數(shù)據(jù)有效管理等典型特征[1]，將其引入到壓氣機(jī)試驗(yàn)，通過虛擬與物理試驗(yàn)相結(jié)合，可極大促進(jìn)壓氣機(jī)試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，應(yīng)對(duì)未來壓氣機(jī)研制過程中對(duì)試驗(yàn)?zāi)芰Φ男滦枨蠛托绿魬?zhàn)。

壓氣機(jī)試驗(yàn)的現(xiàn)狀與需求

早年壓氣機(jī)試驗(yàn)設(shè)備在建設(shè)時(shí)普遍缺乏數(shù)字化方面的考慮，試驗(yàn)的全過程（包括試驗(yàn)評(píng)估、試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、試驗(yàn)規(guī)劃、試驗(yàn)實(shí)施、試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析等各方面）嚴(yán)重依賴人的經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致在試驗(yàn)各環(huán)節(jié)需要投入大量人力，且執(zhí)行過程需要反復(fù)嘗試，從而造成試驗(yàn)效率低、風(fēng)險(xiǎn)高、科學(xué)性差等一系列問題。

壓氣機(jī)試驗(yàn)的現(xiàn)狀與需求

數(shù)字孿生技術(shù)充分利用物理模型、實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)、運(yùn)行歷史記錄，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間完成數(shù)字化映射，從而反映對(duì)應(yīng)實(shí)體的物理演化過程[2]。作為一種充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能化、多學(xué)科集成的技術(shù)，數(shù)字孿生可根據(jù)被描述對(duì)象特性的變化而不斷演化對(duì)應(yīng)的數(shù)字映射，充分發(fā)揮其連接物理空間和虛擬空間的紐帶作用，提供更加實(shí)時(shí)、高效、全面和智能化的數(shù)據(jù)信息。近年來，隨著數(shù)字孿生技術(shù)研究的不斷深入[1-5]，將其引入到壓氣機(jī)試驗(yàn)領(lǐng)域，建立虛擬與物理試驗(yàn)相結(jié)合的試驗(yàn)方法，形成對(duì)試驗(yàn)中壓氣機(jī)性能、試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)的預(yù)測(cè)與判斷，是實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)試驗(yàn)?zāi)芰μ嵘囊粭l創(chuàng)新之路。

數(shù)字孿生的發(fā)展及在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用

“孿生”的概念最早源于阿波羅登月計(jì)劃，美國國家航空航天局（NASA）構(gòu)建了一個(gè)在地面上能夠模擬太空飛行器的各種工作狀態(tài)的實(shí)物孿生體，用于飛行準(zhǔn)備期間開展訓(xùn)練，以及在執(zhí)行任務(wù)期間輔助航天員進(jìn)行決策判斷[6]。2003年，美國密歇根大學(xué)與NASA共同提出“數(shù)字復(fù)制品”的概念，是指一個(gè)或一組特定裝置的數(shù)字復(fù)制品，能夠抽象表達(dá)真實(shí)裝置并可以此為基礎(chǔ)進(jìn)行真實(shí)條件或模擬條件下的測(cè)試。此概念與目前的數(shù)字孿生十分相近，具有3個(gè)主要特征：將孿生體數(shù)字化；引入虛擬空間，進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的交互；虛實(shí)融合、以虛控實(shí)。隨后該理念不斷演化發(fā)展，并在2011年被定義為“數(shù)字孿生”[7]。2012年，NASA和美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）提出了未來飛行器數(shù)字孿生體范例，同年AFRL提出了“機(jī)體數(shù)字孿生體”的概念。2017年，從事信息技術(shù)研究與咨詢的高德納（Gartner）公司將數(shù)字孿生列為當(dāng)年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)之一[6]。2017年11月，美國洛克希德-馬?。羼R）公司將數(shù)字孿生列為未來航空航天與國防的六大頂尖技術(shù)之首[2]。

數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展[3]

近年來，隨著工業(yè)智能化的不斷推進(jìn)和云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)已逐漸從理論研究快速向工程應(yīng)用轉(zhuǎn)變，越來越多地應(yīng)用到了包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)的工業(yè)領(lǐng)域[7-9]。2018年2月，羅羅公司提出了智能發(fā)動(dòng)機(jī)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)力的聯(lián)通性，使發(fā)動(dòng)機(jī)具有情境感知和理解能力。GE公司將數(shù)字孿生技術(shù)視為加速未來先進(jìn)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要推動(dòng)力，并專門開發(fā)了數(shù)字孿生工業(yè)云平臺(tái)Predix，目前正在該平臺(tái)上開展先進(jìn)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)（ATP）的研制。俄羅斯聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)公司（UEC）下屬的禮炮燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)科研生產(chǎn)中心從2019年年底開始打造統(tǒng)一的數(shù)字孿生平臺(tái)，可整合所有產(chǎn)品和數(shù)學(xué)模擬過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、文件和專業(yè)化軟件程序。

禮炮燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)科研生產(chǎn)中心開發(fā)的數(shù)字孿生工作平臺(tái)[2]

數(shù)字孿生在試驗(yàn)中的應(yīng)用主要是針對(duì)試驗(yàn)對(duì)象和環(huán)境開展建模，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)在物理和虛擬空間的多學(xué)科、多尺度、多物理量的仿真與信息交互。俄羅斯土星科研生產(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)與物理試驗(yàn)同時(shí)建立其數(shù)字孿生體，并開展虛擬試驗(yàn)，建立起物理空間與虛擬空間的互聯(lián)互通，進(jìn)而可實(shí)時(shí)掌握發(fā)動(dòng)機(jī)性能，排查試驗(yàn)過程中的問題，俄羅斯計(jì)劃在2024年將數(shù)字孿生技術(shù)引入至航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，有效提高測(cè)試質(zhì)量，減少試驗(yàn)項(xiàng)目。歐盟在“清潔天空”2（CleanSky 2）項(xiàng)目中專門安排了虛擬建模、虛擬適航等試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)研究。羅羅公司的80號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)構(gòu)建了虛擬數(shù)字孿生平臺(tái)，模擬各種物理試驗(yàn)難以企及的運(yùn)行場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維修，大幅度提升發(fā)動(dòng)機(jī)的可用率和可靠性。法國航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中心開發(fā)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬試驗(yàn)臺(tái)SIMATMO，可以模擬真實(shí)飛行條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測(cè)其性能。

數(shù)字孿生應(yīng)用于壓氣機(jī)試驗(yàn)的方法探索

構(gòu)建壓氣機(jī)虛實(shí)結(jié)合試驗(yàn)框架模式

傳統(tǒng)的壓氣機(jī)試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)性能的判斷、試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別和壓機(jī)性能的優(yōu)化主要依賴試驗(yàn)人員的經(jīng)驗(yàn)積累。而在工程研制中，全尺寸壓氣機(jī)具有轉(zhuǎn)速高、振動(dòng)復(fù)雜，并存在喘振或葉片顫振等風(fēng)險(xiǎn)，特別是壓氣機(jī)首次上臺(tái)試驗(yàn)，很多壓氣機(jī)特性是未知或明顯偏離仿真結(jié)果，留給試驗(yàn)人員現(xiàn)場(chǎng)判斷和操作的時(shí)間非常有限。因此，需要構(gòu)建一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)壓氣機(jī)物理試驗(yàn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)映射的虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)物理試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息的交互，依托物理試驗(yàn)為虛擬試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)支撐，建立高可靠性的壓氣機(jī)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?；可以?shí)時(shí)修正設(shè)備和試驗(yàn)件的工作狀態(tài)，依托虛擬試驗(yàn)可以針對(duì)不同壓氣機(jī)氣動(dòng)特點(diǎn),在虛擬空間獲得詳細(xì)的壓氣機(jī)氣動(dòng)性能和關(guān)鍵流動(dòng)特征，建立模擬試驗(yàn)環(huán)境的設(shè)備調(diào)控方案，方便評(píng)估測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性；通過物理試驗(yàn)與虛擬試驗(yàn)的交互融合，為壓氣機(jī)試驗(yàn)提供更詳實(shí)的數(shù)據(jù)信息，指導(dǎo)壓氣機(jī)試驗(yàn)方案的制訂，全面提升壓氣機(jī)試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

壓氣機(jī)虛實(shí)結(jié)合試驗(yàn)框架

發(fā)展虛擬試驗(yàn)中的數(shù)字孿生模型

輕量化壓氣機(jī)數(shù)字孿生模型

發(fā)展在虛擬環(huán)境能夠反映壓氣機(jī)試驗(yàn)過程的數(shù)字孿生模型是開展壓氣機(jī)虛擬試驗(yàn)的關(guān)鍵。描述壓氣機(jī)物理試驗(yàn)過程的要素主要包括試驗(yàn)設(shè)備、壓氣機(jī)試驗(yàn)件和測(cè)試設(shè)備。試驗(yàn)設(shè)備用于營造試驗(yàn)環(huán)境，調(diào)節(jié)壓氣機(jī)試驗(yàn)工況，特別是能夠快速退出壓氣機(jī)失速或喘振狀態(tài)。壓氣機(jī)試驗(yàn)件是被試對(duì)象，針對(duì)高壓壓氣機(jī)、風(fēng)扇等不同試驗(yàn)對(duì)象，其試驗(yàn)性能、調(diào)節(jié)規(guī)律和性能優(yōu)化方向往往存在較大差異。測(cè)試裝置主要包括與壓氣機(jī)氣動(dòng)性能相關(guān)的流量測(cè)量裝置，以及溫度、壓力、方向、速度等參數(shù)的測(cè)試受感部，決定了氣動(dòng)性能測(cè)試結(jié)果的可靠性。因此，在構(gòu)建壓氣機(jī)虛擬試驗(yàn)時(shí)，要發(fā)展出針對(duì)試驗(yàn)設(shè)備、壓氣機(jī)和測(cè)試設(shè)備的數(shù)字孿生體，建立壓氣機(jī)試驗(yàn)在虛擬空間和物理空間的映射關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)在壓氣機(jī)虛擬試驗(yàn)環(huán)境下對(duì)物理試驗(yàn)過程的反映。建立物理模型的方法可以通過數(shù)據(jù)與模型驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的方式。為實(shí)現(xiàn)虛實(shí)試驗(yàn)融合，數(shù)字孿生模型一方面要具有較高的可靠性，另一方面要做到模型輕量化，可行的方法是針對(duì)不同對(duì)象提煉需要模擬的關(guān)鍵參數(shù)，從而將模型進(jìn)行輕量化處理（主要構(gòu)建一維模型和二維模型），實(shí)現(xiàn)對(duì)物理現(xiàn)象的快速模擬。

建立不同數(shù)字孿生模型的關(guān)聯(lián)交互

在壓氣機(jī)的物理試驗(yàn)空間中，試驗(yàn)設(shè)備、壓氣機(jī)試驗(yàn)件和測(cè)試受感部之間具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。當(dāng)試驗(yàn)設(shè)備的調(diào)節(jié)導(dǎo)致試驗(yàn)環(huán)境發(fā)生變化，壓氣機(jī)自身的工況以及特性參數(shù)也會(huì)隨之改變。在一些條件下（如進(jìn)氣畸變度較大、排氣壓力過高等）甚至?xí)l(fā)喘振，測(cè)試受感部獲得的物理參數(shù)也會(huì)隨壓氣機(jī)狀態(tài)改變而發(fā)生變化。當(dāng)氣流分離較大、流動(dòng)較惡劣時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性會(huì)降低，甚至明顯偏離真實(shí)情況。因此，面向不同種類的數(shù)字孿生模型，需要建立適應(yīng)不同建模方法的模型數(shù)據(jù)信息交互關(guān)聯(lián)平臺(tái)，滿足試驗(yàn)設(shè)備數(shù)字孿生模型、壓氣機(jī)數(shù)字孿生模型和測(cè)試裝置數(shù)字孿生模型之間在虛擬試驗(yàn)空間中開展多變量信息快速交互的功能需求，以便在虛擬環(huán)境中快速獲取壓氣機(jī)性能和流場(chǎng)，實(shí)時(shí)評(píng)估測(cè)試結(jié)果的有效性。

開展物理與虛擬試驗(yàn)的協(xié)同

在壓氣機(jī)試驗(yàn)過程中，建立物理與虛擬試驗(yàn)進(jìn)行協(xié)同開展的能力是非常重要的。一方面，在試驗(yàn)過程中將測(cè)量的壓氣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較分析，并作為數(shù)據(jù)源實(shí)時(shí)修正試驗(yàn)設(shè)備模型、壓氣機(jī)模型和測(cè)設(shè)裝置模型，從而能夠顯著提高壓氣機(jī)試驗(yàn)數(shù)字孿生模型的預(yù)測(cè)精度。另一方面，基于修正后的數(shù)字孿生模型，以及在此基礎(chǔ)上得到的虛擬試驗(yàn)結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓氣機(jī)性能開展高精度預(yù)測(cè)，減少不必要的試驗(yàn)內(nèi)容,提升試驗(yàn)效能；基于虛擬試驗(yàn)中獲得的詳細(xì)流場(chǎng)，評(píng)估被測(cè)物理量是否在測(cè)試受感部合理應(yīng)用區(qū)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試結(jié)果有效性的預(yù)判，降低性能誤判風(fēng)險(xiǎn)；基于對(duì)壓氣機(jī)總性能、級(jí)性能、詳細(xì)流場(chǎng)的綜合智能化分析，可以評(píng)估影響壓氣機(jī)性能的關(guān)鍵因素，明確壓氣機(jī)葉片角度優(yōu)化方向；基于對(duì)壓氣機(jī)特性、設(shè)備參數(shù)模型的多維度分析，可以提前預(yù)判壓氣機(jī)失速/喘振以及試驗(yàn)設(shè)備極限工作狀態(tài)，指導(dǎo)壓氣機(jī)試驗(yàn)工藝的制定和現(xiàn)場(chǎng)操作，顯著降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)束語

將數(shù)字孿生技術(shù)融入到壓氣機(jī)試驗(yàn)領(lǐng)域，發(fā)展虛擬與物理空間高度融合的試驗(yàn)技術(shù)，將打破原有的壓氣機(jī)試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，提高壓氣機(jī)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析能力，大幅提升試驗(yàn)效能，降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，縮短試驗(yàn)周期。為達(dá)成壓氣機(jī)試驗(yàn)虛實(shí)結(jié)合的目標(biāo)，還需要在壓氣機(jī)測(cè)量技術(shù)、輕量化模型建立和數(shù)據(jù)交互等方法上開展進(jìn)一步的研究工作。可以預(yù)見，數(shù)字孿生技術(shù)在壓氣機(jī)試驗(yàn)應(yīng)用的不斷深入，將顯著提升壓氣機(jī)試驗(yàn)水平，在發(fā)動(dòng)機(jī)研制方面發(fā)揮舉足輕重的作用。