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    面向航空發(fā)動機(jī)研制的數(shù)字孿生定義研究

    2023-07-07 09:46:38蔚奪魁梁春華潘若癡孫明霞桓明姣
    航空發(fā)動機(jī) 2023年3期
    關(guān)鍵詞:定義發(fā)動機(jī)物理

    劉 超,蔚奪魁,梁春華,潘若癡,黎 旭,孫明霞,桓明姣

    (中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所,沈陽市 110015)

    0 引言

    數(shù)字孿生(Digital Twin,DT)是21 世紀(jì)誕生的新興技術(shù)體系和工作模式[1],已經(jīng)成為包括航空發(fā)動機(jī)等復(fù)雜產(chǎn)品研制的重要手段,并發(fā)揮越來越大的作用。數(shù)字孿生定義,是數(shù)字孿生的第一性原理,是認(rèn)知數(shù)字孿生的起點(diǎn)和基礎(chǔ)。對其定義進(jìn)行追本溯源,找出并規(guī)范數(shù)字孿生的構(gòu)成要素和本質(zhì)特性,是保證數(shù)字孿生在發(fā)動機(jī)研制中生存和發(fā)展的必要條件,也是從事航空發(fā)動機(jī)數(shù)字孿生理論研究與實(shí)踐應(yīng)用的學(xué)者都無法回避的問題。

    作為新興的一種技術(shù)體系和工作模式,數(shù)字孿生的定義也一直向完整和全面的方向動態(tài)完善[2-3]。來自官方研究機(jī)構(gòu)、工業(yè)界以及包含高校、學(xué)會和標(biāo)準(zhǔn)化組織在內(nèi)的學(xué)術(shù)界等多個領(lǐng)域,根據(jù)自身的業(yè)務(wù)特點(diǎn)和最終追求目的,對數(shù)字孿生定義進(jìn)行了分析和解讀,構(gòu)建了符合自身業(yè)務(wù)發(fā)展的數(shù)字孿生定義、技術(shù)框架和技術(shù)體系。但截至目前,在航空產(chǎn)品研制領(lǐng)域,還沒有清晰描述面向航空發(fā)動機(jī)的“數(shù)字孿生”標(biāo)準(zhǔn)定義。

    本文對多個領(lǐng)域的典型定義進(jìn)行研究,剖析其中描述的數(shù)字孿生的目的、要素以及應(yīng)用特點(diǎn)等內(nèi)容。分析歸納數(shù)字孿生定義的核心要素,總結(jié)給出面向復(fù)雜產(chǎn)品的數(shù)字孿生定義模型并對其進(jìn)行解讀。在此基礎(chǔ)上具體化和特色化,構(gòu)建面向航空發(fā)動機(jī)研制的數(shù)字孿生定義及內(nèi)涵,以期規(guī)范技術(shù)語言和統(tǒng)一認(rèn)識,為后續(xù)開展技術(shù)路線規(guī)劃、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)等工作提供定義基礎(chǔ)。

    1 數(shù)字孿生的發(fā)展

    數(shù)字孿生是建模與仿真技術(shù)的高度升華,充分利用模型、數(shù)據(jù),智能集成多學(xué)科技術(shù),非常適合復(fù)雜系統(tǒng)研制[4]。

    “孿生體/雙胞胎”在工程實(shí)踐中的應(yīng)用,最早可追溯到美國國家航空航天局(NASA)于20 世紀(jì)60 年代實(shí)施的阿波羅項(xiàng)目。在該項(xiàng)目中,NASA 需要制造2 個完全相同的空間飛行器,留在地球上的飛行器稱為孿生體,用來反映(或作鏡像)正在執(zhí)行任務(wù)的空間飛行器的狀態(tài)/狀況。

    數(shù)字孿生萌芽于2002 年密歇根大學(xué)Michael Grieves在產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出的“與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化表達(dá)”[5-6],最早出現(xiàn)在2010 年NASA在《建模、仿真、信息技術(shù)和處理》[7]和《材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)和制造》[8]的技術(shù)路線圖中。此后,美國官方研究機(jī)構(gòu)、大型制造及工業(yè)軟件企業(yè)、高校以及學(xué)會和國際標(biāo)準(zhǔn)組織等,逐漸對數(shù)字孿生進(jìn)行了廣泛的理論和應(yīng)用研究,結(jié)合自己的實(shí)際工作提出對數(shù)字孿生定義的理解。數(shù)字孿生定義發(fā)展歷程如圖1 所示。

    圖1 數(shù)字孿生定義發(fā)展歷程

    目前,面向復(fù)雜產(chǎn)品研制的數(shù)字孿生研究還處于百花齊放的狀態(tài),不同行業(yè)的研究者站在不同角度,面向不同目的,對數(shù)字孿生定義和內(nèi)涵的認(rèn)識也有所差別[9]。高校、學(xué)會、標(biāo)準(zhǔn)化組織也通過各類形式的數(shù)字孿生定義文獻(xiàn),為數(shù)字孿生定義向各維度發(fā)展提出了多方向的思考。官方機(jī)構(gòu)力圖通過數(shù)字孿生完善國家復(fù)雜裝備研制的技術(shù)體系,牽引企業(yè)進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)。不同企業(yè)在其數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)踐過程中結(jié)合應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)并對技術(shù)內(nèi)容、目的等內(nèi)涵進(jìn)行總結(jié),提出數(shù)字孿生定義。

    1.1 學(xué)術(shù)界

    數(shù)字孿生定義最早誕生于美國密歇根大學(xué),并得到國內(nèi)外一些學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的深入研究,也被很多企業(yè)和單位所應(yīng)用[10]。

    2011 年,美國密歇根大學(xué)Michael Grieves 在《幾乎完美:通過產(chǎn)品全生命周期管理驅(qū)動創(chuàng)新和精益產(chǎn)品》中正式提出數(shù)字孿生的定義:數(shù)字孿生是1 組虛擬信息結(jié)構(gòu),可從微觀原子級別到宏觀幾何級別全面地描述現(xiàn)有或?qū)⒂械奈锢碇瞥善穂11];2018 年,中國北京航空航天大學(xué)的陶飛團(tuán)隊提出,數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型,借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為,通過虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段,為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力[12];2019 年,美國賓夕法尼亞大學(xué)的Mukherjee 等[13]提出了數(shù)字孿生是以機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ),包含控制系統(tǒng)組成的機(jī)械模型,可以提高產(chǎn)品質(zhì)量,縮短研制時間;2019 年,美國佛羅倫薩大學(xué)的Barricelli 等[18]通過系統(tǒng)的文獻(xiàn)回顧和文獻(xiàn)檢索,針對數(shù)字孿生的定義、特征和應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行研究,將數(shù)字孿生定義為:(實(shí)體及/或虛擬)機(jī)器或基于計算機(jī)的模型,其模擬、仿真、鏡像或“孿生”物理實(shí)體的生命,所述物理實(shí)體可為對象、過程、人或與人相關(guān)的特征;2020年,德國多特蒙德工業(yè)大學(xué)的Hendrik等[15]通過對233 篇論文進(jìn)行研究,對數(shù)字孿生的核心特征和屬性進(jìn)行分類,并應(yīng)用分類學(xué)分配數(shù)字孿生的現(xiàn)有定義:典型的數(shù)字孿生是物理系統(tǒng)的相同模型,由雙向數(shù)據(jù)連接組成,數(shù)字孿生自動從多個數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)并不斷更新,處理原始數(shù)據(jù)和預(yù)處理數(shù)據(jù);數(shù)字孿生通常是在其物理系統(tǒng)存在之后設(shè)計的,也建議物理系統(tǒng)存在之前設(shè)計數(shù)字孿生;2020 年,美國航空航天學(xué)會和美國航空航天工業(yè)協(xié)會發(fā)布《數(shù)字孿生:定義與價值》報告,經(jīng)對相關(guān)文獻(xiàn)的廣泛、全面的審閱后,提出數(shù)字孿生的定義。數(shù)字孿生是1 套模擬單個/唯一的實(shí)物資產(chǎn)或1 組實(shí)物資產(chǎn)的結(jié)構(gòu)、環(huán)境和行為的虛擬信息架構(gòu),利用其全壽命周期內(nèi)的物理孿生數(shù)據(jù)來進(jìn)行動態(tài)更新,并給出有助于實(shí)現(xiàn)價值的決策[16];2021 年,國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)基于數(shù)字孿生的基本內(nèi)容,對數(shù)字孿生定義進(jìn)行了提煉總結(jié):數(shù)字孿生是實(shí)現(xiàn)事物(或過程)具有特定目的的數(shù)字化表達(dá),并通過適當(dāng)頻率的同步使物理實(shí)例與數(shù)字實(shí)例之間趨向一致[17]。2021 年,俄羅斯聯(lián)邦國家標(biāo)準(zhǔn)(ГОСТ Р)也在產(chǎn)品數(shù)字孿生總則中提出了數(shù)字孿生的定義:產(chǎn)品數(shù)字孿生是由產(chǎn)品數(shù)字模型和與產(chǎn)品(有產(chǎn)品時)和(或)其構(gòu)成部分的雙向信息鏈組成的系統(tǒng)[18]。

    1.2 官方研究機(jī)構(gòu)

    由于認(rèn)識到數(shù)字孿生的巨大驅(qū)動作用,美國政府強(qiáng)力推進(jìn)數(shù)字孿生理念,特別是著手規(guī)劃其在工業(yè)界實(shí)踐應(yīng)用。

    2010 年,NASA 在《建模、仿真、信息技術(shù)和處理》[7]和《材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)和制造》[8]2 處技術(shù)路線圖中直接使用了“數(shù)字孿生”這一名稱;2011 年,美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室構(gòu)想了30 年長期愿景,首次提出了“機(jī)體數(shù)字孿生”的概念,以飛機(jī)實(shí)體為對象,為“數(shù)字孿生”賦予了真實(shí)性、集成性以及可計算性等特征[19-20];2012年,美國空軍和NASA合作進(jìn)行數(shù)字孿生探索實(shí)踐,并進(jìn)行了如下定義:數(shù)字孿生體是1 個集成了多物理場、多尺度和概率仿真的數(shù)字飛行器(或系統(tǒng)),它可以通過逼真物理模型、實(shí)時傳感器和服役歷史來反映真實(shí)飛行器的實(shí)際狀況[21];2015 年,為推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型,完成以模型和數(shù)據(jù)為核心謀事做事的范式轉(zhuǎn)移,美國國防部成立數(shù)字工程工作組,并公布了以數(shù)字系統(tǒng)模型、數(shù)字線索和數(shù)字孿生為核心紐帶的數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)初步設(shè)想[22-23];2018 年,美國國防部正式對外發(fā)布《數(shù)字工程戰(zhàn)略》[24]。在對數(shù)字工程的解讀中,數(shù)字孿生有如下描述:數(shù)字孿生側(cè)重于對物理模型的動態(tài)、高保真數(shù)字化表達(dá),利用傳感器信息不斷更新數(shù)字模型,實(shí)現(xiàn)對物理系統(tǒng)性能、損傷和壽命等的預(yù)測,主要覆蓋生命周期的后半段[25]。

    1.3 工業(yè)界

    鑒于數(shù)字孿生技術(shù)能在工業(yè)研制中產(chǎn)生巨大作用,GE、西門子等大型企業(yè)均以自身業(yè)務(wù)需求為出發(fā)點(diǎn),展開數(shù)字孿生技術(shù)的探索應(yīng)用,力圖提高產(chǎn)品的技術(shù)水平和研制效率,減小技術(shù)風(fēng)險,實(shí)現(xiàn)自身和用戶各方面效益的最大化。GE公司通過數(shù)字孿生提高決策的合理性,2017 年,其對數(shù)字孿生進(jìn)行定義:數(shù)字孿生是一種基于物理方法和先進(jìn)分析法的有組織的集合,通過數(shù)據(jù)預(yù)測動力裝置的性能,評估不同的方案,理解折衷方案并提高效率[26];西門子等工業(yè)軟件公司,在和大量裝備研制企業(yè)合作過程中,逐漸集成了各企業(yè)的數(shù)字孿生應(yīng)用理念;2018 年,西門子對數(shù)字孿生的定義進(jìn)行了概括:數(shù)字孿生通常被稱為物理資產(chǎn)的虛擬副本,可以是產(chǎn)品、機(jī)器、流程,包含與管理其真實(shí)的、計劃的或已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的、以仿真為核心技術(shù)的對應(yīng)物相關(guān)的、整個生命周期內(nèi)的所有信息、數(shù)據(jù)以及描述性和可執(zhí)行模型[27];Emerson 集團(tuán)在其2021 年的產(chǎn)品白皮書中提到,通過數(shù)字孿生,降低工廠運(yùn)營成本和控制工廠運(yùn)營風(fēng)險,并支持勞動力技能提高。Emerson 集團(tuán)將數(shù)字孿生定義為:實(shí)體工廠資產(chǎn)(過程設(shè)備、儀器儀表和控制等)和在其發(fā)生的過程的表現(xiàn),為資本項(xiàng)目執(zhí)行和控制系統(tǒng)現(xiàn)代化,以及工廠生命周期運(yùn)行性能提供價值[28]。

    2 面向復(fù)雜產(chǎn)品的數(shù)字孿生分析

    2022 年,孫明霞等采用文獻(xiàn)統(tǒng)計研究與內(nèi)容聚類研究的方法,對64 個典型數(shù)字孿生定義進(jìn)行了歸納研究:采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和綜合技術(shù)對物理實(shí)體進(jìn)行多學(xué)科、多物理場、多尺度、多概率、高保真度的仿真,并建立物理實(shí)體與虛擬實(shí)體的數(shù)據(jù)映射與鏡像,通過虛擬實(shí)體反映物理實(shí)體全生命周期過程,以此來支撐決策、提高效能[29]。

    在此研究[29]基礎(chǔ)上,對上述典型定義進(jìn)行深入分析和研究發(fā)現(xiàn),無論技術(shù)手段如何發(fā)展,數(shù)字孿生幾乎都在強(qiáng)調(diào)4 項(xiàng)基本內(nèi)容:物理實(shí)體、孿生模型、物理實(shí)體和虛擬模型的數(shù)據(jù)以及二者之間的交互。主要作用都集中體現(xiàn)在2 方面:一方面物理實(shí)體的改變能動態(tài)可視化地反映在孿生模型上,保證模型能夠進(jìn)行更精準(zhǔn)的計算;另一方面,孿生模型通過感知得到的數(shù)據(jù)、產(chǎn)品狀態(tài)以及歷史數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)公式等對物理實(shí)體進(jìn)行分析,實(shí)時優(yōu)化對物理實(shí)體的控制,將數(shù)字孿生的技術(shù)成果宏觀體現(xiàn)在物理世界中。

    復(fù)雜產(chǎn)品研制過程中,面臨著層次結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜、運(yùn)行環(huán)境不確定性越來越大的物理實(shí)體,研究者們在孿生模型上提出了多物理、多尺度、概率性、集成性等特征,對數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)加以更詳細(xì)的描述,包含了物理實(shí)體上采集的信息和孿生模型計算生成的信息[30],以更好的實(shí)現(xiàn)孿生模型對物理實(shí)體的表達(dá)和反饋;同時,研究者提出了物理實(shí)體對孿生模型的更新,如通過高效傳感器得到的物理實(shí)體信息為基礎(chǔ)建立高保真孿生模型并不斷完善[31];以及孿生模型對物理實(shí)體的優(yōu)化,如以物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)信息技術(shù)結(jié)合實(shí)時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行的數(shù)據(jù)分析、預(yù)測,用以優(yōu)化物理實(shí)體等[32-33]。因而,將文獻(xiàn)[29]形成的數(shù)字孿生定義模型特色化為面向復(fù)雜產(chǎn)品研制的定義模型,如圖2 所示。

    圖2 數(shù)字孿生定義的歸納

    2.1 物理實(shí)體是研究主體

    數(shù)字孿生來源于物理實(shí)體,服務(wù)于物理實(shí)體,數(shù)字孿生的最終作用和效果都將在物理實(shí)體上得以體現(xiàn)。即,物理實(shí)體是數(shù)字孿生的應(yīng)用載體,是特定物理世界下的研究主體。

    一般而言,面向復(fù)雜產(chǎn)品研制的數(shù)字孿生的物理實(shí)體在層級上、研制過程上、生產(chǎn)和運(yùn)維上十分復(fù)雜,具備以下特點(diǎn):

    (1)內(nèi)部構(gòu)成:復(fù)雜產(chǎn)品的組件數(shù)量龐大,且其內(nèi)部組件與組件之間存在邏輯上和功能上的交互,不同組件運(yùn)行過程中涉及學(xué)科大量耦合;

    (2)生命周期:在復(fù)雜產(chǎn)品研制的全生命周期,產(chǎn)品狀態(tài)隨時間變化,針對不同研制階段和研制領(lǐng)域,體現(xiàn)不同特點(diǎn),需要數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)不同功能;

    (3)外部環(huán)境:復(fù)雜產(chǎn)品的物理實(shí)體不僅包括最終的產(chǎn)品,也包括產(chǎn)品形成過程中涉及的資源、設(shè)備以及環(huán)境因素等。

    這種物理實(shí)體的設(shè)計、制造、運(yùn)維等各個階段,難度大、周期長、成本高,面臨大量不確定因素。需要通過數(shù)字孿生的分析計算,實(shí)現(xiàn)對物理實(shí)體的優(yōu)化。

    2.2 孿生模型是核心技術(shù)或手段

    為發(fā)揮數(shù)字孿生的作用,需要通過孿生模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、對信息進(jìn)行分析,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)面向物理實(shí)體的目標(biāo)操作,因而孿生模型是數(shù)字孿生技術(shù)的核心手段。孿生模型由最初的理論設(shè)計模型不斷加入實(shí)體信息、數(shù)據(jù)算法不斷發(fā)展而來,是物理實(shí)體在虛擬空間中的集成模型,也是產(chǎn)品全生命周期的真實(shí)數(shù)字化檔案。

    孿生模型作為1 個反映真實(shí)物理世界的虛擬映射,其構(gòu)建十分復(fù)雜,需要對物理世界有充分的認(rèn)知并能對數(shù)據(jù)進(jìn)行完整的解讀,為此要求其具有以下核心特性:

    (1)數(shù)字表達(dá)與仿真能力:具備對物理實(shí)體全面、綜合的描述能力,對系統(tǒng)內(nèi)各單元進(jìn)行多物理域、多尺度、多學(xué)科集成建模,各單元間相互獨(dú)立又相互耦合,可以根據(jù)需要對物理實(shí)體下一步狀態(tài)進(jìn)行仿真;

    (2)概率與智能分析能力:基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)信息化手段,對故障、失效、不確定性、風(fēng)險等的概率分析與仿真[34],智能化的得出處理意見;

    (3)虛擬與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)能力:在準(zhǔn)確反映內(nèi)容、性質(zhì)等各方面的物理實(shí)體真實(shí)狀態(tài)的同時,依據(jù)需要疊加表達(dá)更多的數(shù)據(jù)信息、計算信息,使虛擬與現(xiàn)實(shí)的交互更加深入。

    2.3 孿生數(shù)據(jù)是交互媒介

    對于1 個大型復(fù)雜系統(tǒng),其本身就可看作是海量數(shù)據(jù)的組合。物理實(shí)體的數(shù)據(jù)作為輸入,參與孿生模型的構(gòu)建、更新和計算;孿生模型產(chǎn)生的數(shù)據(jù),反映在物理實(shí)體上,實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體的優(yōu)化功能,孿生數(shù)據(jù)是物理實(shí)體和孿生模型間的交互媒介。

    孿生數(shù)據(jù)涉及產(chǎn)品全生命周期,數(shù)字孿生中數(shù)據(jù)應(yīng)用的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)單一數(shù)據(jù)源在全生命周期各階段的信息貫通、是一種全價值鏈的協(xié)同[35]。通過孿生數(shù)據(jù),物理實(shí)體和孿生模型不斷發(fā)展,共同成長;同時,也可借鑒歷史數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)、真實(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行算法的優(yōu)化和數(shù)字孿生能力的提升,更好的優(yōu)化物理實(shí)體。

    2.4 動態(tài)交互是推動手段

    孿生模型鏡像物理系統(tǒng)的生命歷程,其包含的不同要素,在產(chǎn)品全生命周期內(nèi),實(shí)現(xiàn)動態(tài)的互聯(lián)互通。數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)交互是雙向的,一方面物理實(shí)體的改變能動態(tài)可視化地反映在數(shù)字孿生虛擬模型上;另一方面,通過孿生模型進(jìn)行仿真分析進(jìn)而產(chǎn)生的分析決策能夠在物理實(shí)體上得到體現(xiàn)。高實(shí)時性的動態(tài)交互推動物理實(shí)體和孿生模型的信息在相互映射中不斷變化,保持更新。

    通過不同精度、不同抗干擾能力的傳感器,實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體上面向不同功能的真實(shí)數(shù)據(jù)的實(shí)時或延時采集;利用交互媒介推動孿生模型和物理實(shí)體的數(shù)據(jù)互聯(lián),仿真數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)交互驗(yàn)證與優(yōu)化,保證孿生模型與物理實(shí)體動態(tài)交互與演化,實(shí)現(xiàn)虛實(shí)共生。

    3 面向航空發(fā)動機(jī)研制的數(shù)字孿生

    航空發(fā)動機(jī),是在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速和交變負(fù)荷等惡劣條件下包含數(shù)以萬計的零件、組件、系統(tǒng)的復(fù)雜熱力機(jī)械產(chǎn)品,涉及氣動、燃燒、控制、傳動、結(jié)構(gòu)、材料、工藝等大量學(xué)科,包括設(shè)計、試驗(yàn)、制造、保障等多個階段,是典型的超復(fù)雜產(chǎn)品[36]。其研制呈現(xiàn)設(shè)計-試驗(yàn)驗(yàn)證-制造-優(yōu)化設(shè)計的反復(fù);內(nèi)部多學(xué)科、多專業(yè)深度耦合;各部件間、主機(jī)與控制/潤滑等系統(tǒng)間的交聯(lián)也是特別復(fù)雜等特點(diǎn),導(dǎo)致周期長,成本高、風(fēng)險大[37]??梢哉f,航空發(fā)動機(jī)研制的數(shù)字孿生定義,就是具象化的面向復(fù)雜產(chǎn)品的數(shù)字孿生定義。

    數(shù)字孿生在發(fā)動機(jī)研制全生命周期所有階段均有所開發(fā)和應(yīng)用,并在每個階段發(fā)生變化。數(shù)字孿生的內(nèi)容和功能取決于生命周期的內(nèi)容。實(shí)體發(fā)動機(jī)的形成過程,是孿生模型不斷成長的過程,也是數(shù)字孿生不斷應(yīng)用的過程。以設(shè)計域構(gòu)建的產(chǎn)品孿生模型為唯一數(shù)據(jù)源,不斷加入不同業(yè)務(wù)域的相關(guān)信息,反映發(fā)動機(jī)研制的全生命周期。通過物理空間中發(fā)動機(jī)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)的測量、積累和反饋,精準(zhǔn)孿生模型的參數(shù),更新孿生模型的算法,提供數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ);通過孿生模型的仿真、計算和數(shù)據(jù)應(yīng)用,優(yōu)化設(shè)計、制造、運(yùn)行中的各項(xiàng)決策與控制,預(yù)測、分析產(chǎn)品狀態(tài)??梢哉f,航空發(fā)動機(jī)數(shù)字孿生最終目標(biāo)作用在發(fā)動機(jī)實(shí)體、發(fā)動機(jī)研制的物理空間予以宏觀體現(xiàn),即提高發(fā)動機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量,降低研制成本,保障發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。航空發(fā)動機(jī)數(shù)字孿生定義模型如圖3 所示。

    圖3 航空發(fā)動機(jī)數(shù)字孿生定義模型

    3.1 數(shù)字孿生的應(yīng)用目的

    在航空發(fā)動機(jī)研制中,完整發(fā)動機(jī)物理實(shí)體在運(yùn)維領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用,數(shù)字孿生的主要目的是面向運(yùn)維領(lǐng)域。通過與實(shí)體發(fā)動機(jī)一一對應(yīng)的孿生模型和實(shí)體發(fā)動機(jī)的交互,反映實(shí)體發(fā)動機(jī)狀態(tài),優(yōu)化實(shí)體發(fā)動機(jī)操作,保障實(shí)體發(fā)動機(jī)運(yùn)行,繼而通過大量發(fā)動機(jī)孿生模型實(shí)現(xiàn)對整個機(jī)隊的發(fā)動機(jī)的主動維護(hù),即發(fā)動機(jī)交付后才是數(shù)字孿生發(fā)揮作用的開始。以基于數(shù)字孿生的主動運(yùn)維為牽引,需要設(shè)計域通過建模、仿真等技術(shù)手段為最終完整的發(fā)動機(jī)孿生模型建設(shè)初始模型,制造域?yàn)閷\生模型賦予實(shí)體物理參數(shù)信息、構(gòu)型信息以及制造過程信息等。因此,不同業(yè)務(wù)域的數(shù)字孿生發(fā)展目標(biāo)不同,具體如下:

    (1)設(shè)計域。以發(fā)動機(jī)產(chǎn)品設(shè)計域的主要工作內(nèi)容(設(shè)計、試制試裝以及運(yùn)行/維護(hù))為目標(biāo)圖像,針對不同設(shè)計過程的使用需求(包括性能/功能反饋、配置管理、監(jiān)控、評估與維修、預(yù)測、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)),針對性的開展技術(shù)研究,應(yīng)用于孿生模型建設(shè)(包括發(fā)動機(jī)全層級的結(jié)構(gòu)模型、表征其應(yīng)用環(huán)境和特性的模型,以及所需的支撐參數(shù)),形成發(fā)動機(jī)產(chǎn)品全生命周期唯一且權(quán)威的數(shù)字表達(dá),支撐后續(xù)孿生模型的形成以及面向制造、運(yùn)維域一系列功能的實(shí)施。

    (2)制造域。通過實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù),自動識別、分析制造、裝配參數(shù),數(shù)據(jù)快速與孿生模型集成,實(shí)現(xiàn)初始孿生模型與物理實(shí)體的快速映射,支撐后續(xù)實(shí)體發(fā)動機(jī)完整孿生模型的建立;同時,實(shí)現(xiàn)加工過程的數(shù)字化與實(shí)時虛擬可視化,通過在線監(jiān)測技術(shù)實(shí)現(xiàn)加工品質(zhì)的在機(jī)快速評定,實(shí)現(xiàn)每個試件的高性能制造、高效率生產(chǎn)。

    (3)運(yùn)維域。結(jié)合發(fā)動機(jī)全生命周期的各項(xiàng)數(shù)據(jù),形成與實(shí)體發(fā)動機(jī)一一對應(yīng)的發(fā)動機(jī)孿生模型,搭建發(fā)動機(jī)運(yùn)行保障系統(tǒng),利用布置于發(fā)動機(jī)表面和內(nèi)部傳感器,獲取結(jié)構(gòu)狀態(tài)與載荷變化、環(huán)境參數(shù)等信息,判讀發(fā)動機(jī)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)及損傷;基于機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)等方法驅(qū)動模型動態(tài)更新,以實(shí)現(xiàn)對關(guān)注狀態(tài)和特征的預(yù)測,結(jié)合運(yùn)行環(huán)境信息優(yōu)化發(fā)動機(jī)控制,適時調(diào)整維護(hù)策略避免不必要的檢測和換件,提高發(fā)動機(jī)的運(yùn)行壽命,降低運(yùn)行成本。

    在發(fā)動機(jī)研制過程中,實(shí)體發(fā)動機(jī)和孿生模型在不斷交互過程中共同發(fā)展、建設(shè),包含的數(shù)據(jù)也按不同維度不斷積累、傳遞。因此,發(fā)動機(jī)研制中的數(shù)字孿生,最重要的組成部分即發(fā)動機(jī)實(shí)體、發(fā)動機(jī)孿生模型、設(shè)計/制造/運(yùn)維數(shù)據(jù)及動態(tài)交互。

    3.2 發(fā)動機(jī)實(shí)體

    發(fā)動機(jī)實(shí)體是數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)載體和實(shí)現(xiàn)對象,航空發(fā)動機(jī)實(shí)體包含不同研制域面向的發(fā)動機(jī)產(chǎn)品,如試驗(yàn)件、部件、整機(jī)等;同時,還包括相關(guān)的設(shè)備、資源,發(fā)動機(jī)使用的環(huán)境因素以及發(fā)動機(jī)研制過程中的相關(guān)信息等。

    在設(shè)計域,方案論證時,尚未產(chǎn)生所對應(yīng)的發(fā)動機(jī)實(shí)物。在試制第1個零件、第1臺發(fā)動機(jī)后,發(fā)動機(jī)實(shí)體主要為將要進(jìn)行試制、試驗(yàn)的發(fā)動機(jī),其生產(chǎn)、裝配過程中的相應(yīng)設(shè)備,發(fā)動機(jī)試驗(yàn)所需的試驗(yàn)環(huán)境、設(shè)施、資源等。

    在制造域,面向發(fā)動機(jī)大量生產(chǎn)的過程,實(shí)體的范圍也擴(kuò)展到車間、廠房、生產(chǎn)線、生產(chǎn)設(shè)備、檢測設(shè)備、生產(chǎn)資源、倉儲設(shè)備等,制造域最終產(chǎn)生的、也是最重要的實(shí)體是實(shí)際生產(chǎn)出的批量發(fā)動機(jī),最終將配裝在飛機(jī)等裝備上。

    在運(yùn)維域,發(fā)動機(jī)實(shí)體主要為在役的發(fā)動機(jī),以及其運(yùn)行時所面臨的各類環(huán)境,同時,大量發(fā)動機(jī)實(shí)體也會裝配在飛機(jī)機(jī)隊中,不同發(fā)動機(jī)實(shí)體間的差異映射在對應(yīng)的發(fā)動機(jī)孿生模型上,大量飛行參數(shù)、維修數(shù)據(jù)的收集、統(tǒng)計也成為更進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)字孿生的基礎(chǔ)。

    3.3 發(fā)動機(jī)孿生模型

    發(fā)動機(jī)孿生模型從宏觀及微觀尺度對發(fā)動機(jī)實(shí)體進(jìn)行動態(tài)的數(shù)學(xué)近似模擬與刻畫,同時包含設(shè)計、制造、運(yùn)維領(lǐng)域與發(fā)動機(jī)實(shí)體相關(guān)的其他設(shè)備、裝備及環(huán)境信息,模擬航空發(fā)動機(jī)的性能、應(yīng)力、變形、疲勞等特性對外界因素的響應(yīng)。發(fā)動機(jī)研制不同領(lǐng)域?qū)\生模型的構(gòu)建、關(guān)聯(lián)、歸納、轉(zhuǎn)換、演化、協(xié)同、融合,是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生功能的核心。

    在設(shè)計域,針對航空發(fā)動機(jī)應(yīng)用場景需求、采辦方案等,將總體方案、經(jīng)濟(jì)性分析等核心論證要素模型化,形成的發(fā)動機(jī)方案模型是后續(xù)各類功能孿生模型的基礎(chǔ)和開端。伴隨單臺發(fā)動機(jī)的試制、裝配,利用實(shí)際制造、裝配參數(shù),形成整機(jī)實(shí)體模型,后續(xù)試驗(yàn)過程中,結(jié)合試驗(yàn)環(huán)境、試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)等數(shù)據(jù),構(gòu)建試驗(yàn)?zāi)P停瑑?yōu)化試驗(yàn)過程,預(yù)測、分析試驗(yàn)結(jié)果。

    在制造域,結(jié)合生產(chǎn)資源模型、生產(chǎn)車間模型,通過批量生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)交互,將設(shè)計域形成的發(fā)動機(jī)整機(jī)模型演化成生產(chǎn)優(yōu)化模型;實(shí)現(xiàn)過對生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制,檢測發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù),形成批量產(chǎn)品的實(shí)體模型,為后續(xù)運(yùn)維構(gòu)建基礎(chǔ)。

    在運(yùn)維域,以設(shè)計域構(gòu)建的數(shù)字孿生初始模型為基礎(chǔ),結(jié)合制造域、運(yùn)維域等實(shí)體模型數(shù)據(jù),以及對飛行數(shù)據(jù)、歷史維修報告等各類歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)挖掘,以飛機(jī)模型、運(yùn)行環(huán)境模型的相關(guān)數(shù)據(jù)為輸入,結(jié)合故障模型、性能預(yù)測模型、自適應(yīng)模型等各類服務(wù)的代理模型,服務(wù)、優(yōu)化發(fā)動機(jī)運(yùn)行。

    3.4 設(shè)計/制造/運(yùn)維數(shù)據(jù)

    發(fā)動機(jī)研制過程中的孿生數(shù)據(jù)包括規(guī)格、功能、性能、關(guān)系等的物理要素屬性數(shù)據(jù)與實(shí)時性能、環(huán)境參數(shù)、整機(jī)振動等的動態(tài)過程數(shù)據(jù)[38],以及幾何模型相關(guān)數(shù)據(jù),材料屬性、載荷、特征等孿生體屬性相關(guān)數(shù)據(jù),溫度、風(fēng)速、環(huán)境變化、運(yùn)行機(jī)制等孿生體行為相關(guān)數(shù)據(jù)。

    通過數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、預(yù)處理、分類、關(guān)聯(lián)、集成等相關(guān)處理,支撐數(shù)字孿生的運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)研制有關(guān)的數(shù)據(jù)完整、一致、準(zhǔn)確、有序地存儲;完成孿生模型和發(fā)動機(jī)實(shí)體從產(chǎn)品需求、設(shè)計、試驗(yàn)、制造到服務(wù)運(yùn)營的端到端的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通及共享,滿足設(shè)計、制造、運(yùn)維等業(yè)務(wù)域?qū)?shù)據(jù)的消費(fèi)需求。

    3.5 發(fā)動機(jī)實(shí)體與孿生模型的交互

    發(fā)動機(jī)研制的全生命周期均存在各項(xiàng)模型、數(shù)據(jù)間的交互行為,在數(shù)字孿生虛擬交互過程中,由實(shí)向虛的映射是建模,包括通過從物理空間提取數(shù)據(jù)用于虛擬空間的建模,以及持續(xù)的模型完善;而由虛向?qū)嵉挠成涫峭ㄟ^模型仿真,在對物理空間的精準(zhǔn)描述,同時,通過采集物理空間的實(shí)時數(shù)據(jù)反饋到孿生模型,在此基礎(chǔ)上診斷可能出現(xiàn)的狀況,進(jìn)而預(yù)測未來的發(fā)展趨勢,支撐對真實(shí)發(fā)動機(jī)的運(yùn)行決策。

    綜上所述,航空發(fā)動機(jī)研制中數(shù)字孿生內(nèi)容如下:以數(shù)字化方式創(chuàng)建面向發(fā)動機(jī)不同領(lǐng)域、不同視角的孿生模型,通過虛實(shí)間信息動態(tài)交互、數(shù)據(jù)融合分析等手段,建立發(fā)動機(jī)孿生模型與實(shí)體發(fā)動機(jī)全壽命周期的工作狀態(tài)鏡像,模擬發(fā)動機(jī)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的功能、性能和演變趨勢,實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)的優(yōu)化決策。

    4 總結(jié)

    (1)發(fā)動機(jī)研制中的數(shù)字孿生定義主要包含發(fā)動機(jī)實(shí)體、發(fā)動機(jī)孿生模型、設(shè)計/制造/運(yùn)維數(shù)據(jù)以及實(shí)體與模型的交互4 方面。數(shù)字孿生主要服務(wù)于發(fā)動機(jī)運(yùn)維,即發(fā)動機(jī)生產(chǎn)交付后。通過數(shù)字孿生保障實(shí)體發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)與維護(hù)效能,繼而實(shí)現(xiàn)對整個機(jī)隊的發(fā)動機(jī)的主動維護(hù),以此牽引孿生模型的構(gòu)建,在線數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的應(yīng)用以及交互映射的實(shí)現(xiàn)。

    (2)隨著信息化算法及軟硬件水平的不斷發(fā)展,數(shù)字孿生將在建模仿真、數(shù)據(jù)運(yùn)用、智能決策等方面逐步成熟,更大程度上賦能航空發(fā)動機(jī)研制。后續(xù),需要以本文提出的數(shù)字孿生定義為基礎(chǔ),分析GE、RR 等航空企業(yè)數(shù)字孿生的應(yīng)用特點(diǎn),搭建發(fā)動機(jī)研制中數(shù)字孿生的技術(shù)框架,持續(xù)推動航空發(fā)動機(jī)研制中數(shù)字孿生研究路線規(guī)劃、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)等相關(guān)工作。

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