■ 張志博 江建玲 賈博博 / 中國航發(fā)動力所

數(shù)字孿生技術(shù)已成為未來航空發(fā)動機研制數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一個重要發(fā)展方向。將數(shù)字孿生技術(shù)應用到壓氣機試驗中，實現(xiàn)壓氣機虛擬試驗與物理試驗相融合，將顯著提升壓氣機試驗測試能力。

隨著航空發(fā)動機性能要求的不斷提高，壓氣機的設計難度也越來越高，壓氣機試驗風險增大、試驗頻率顯著增加。隨著對性能分析的深度與廣度的需求全面提升、試驗效能的要求越來越高，試驗系統(tǒng)越來越復雜、試驗方案設計難度也隨之增大，以現(xiàn)階段傳統(tǒng)的壓氣機試驗技術(shù)應對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]，將其引入到壓氣機試驗，通過虛擬與物理試驗相結(jié)合，可極大促進壓氣機試驗技術(shù)的進步，應對未來壓氣機研制過程中對試驗能力的新需求和新挑戰(zhàn)。

壓氣機試驗的現(xiàn)狀與需求

早年壓氣機試驗設備在建設時普遍缺乏數(shù)字化方面的考慮，試驗的全過程（包括試驗評估、試驗方案設計、試驗規(guī)劃、試驗實施、試驗數(shù)據(jù)分析等各方面）嚴重依賴人的經(jīng)驗，導致在試驗各環(huán)節(jié)需要投入大量人力，且執(zhí)行過程需要反復嘗試，從而造成試驗效率低、風險高、科學性差等一系列問題。

壓氣機試驗的現(xiàn)狀與需求

數(shù)字孿生技術(shù)充分利用物理模型、實時測量數(shù)據(jù)、運行歷史記錄，集成多學科、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，從而反映對應實體的物理演化過程[2]。作為一種充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能化、多學科集成的技術(shù)，數(shù)字孿生可根據(jù)被描述對象特性的變化而不斷演化對應的數(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，提供更加實時、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]，將其引入到壓氣機試驗領(lǐng)域，建立虛擬與物理試驗相結(jié)合的試驗方法，形成對試驗中壓氣機性能、試驗設備參數(shù)的預測與判斷，是實現(xiàn)壓氣機試驗能力提升的一條創(chuàng)新之路。

數(shù)字孿生的發(fā)展及在航空發(fā)動機的應用

“孿生”的概念最早源于阿波羅登月計劃，美國國家航空航天局（NASA）構(gòu)建了一個在地面上能夠模擬太空飛行器的各種工作狀態(tài)的實物孿生體，用于飛行準備期間開展訓練，以及在執(zhí)行任務期間輔助航天員進行決策判斷[6]。2003年，美國密歇根大學與NASA共同提出“數(shù)字復制品”的概念，是指一個或一組特定裝置的數(shù)字復制品，能夠抽象表達真實裝置并可以此為基礎進行真實條件或模擬條件下的測試。此概念與目前的數(shù)字孿生十分相近，具有3個主要特征：將孿生體數(shù)字化；引入虛擬空間，進行數(shù)據(jù)和信息的交互；虛實融合、以虛控實。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和美國空軍研究實驗室（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)字孿生列為當年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢之一[6]。2017年11月，美國洛克希德-馬丁（洛馬）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)智能化的不斷推進和云計算、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用轉(zhuǎn)變，越來越多地應用到了包括航空發(fā)動機在內(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)動機愿景，希望借助數(shù)字孿生等數(shù)字化技術(shù)，建立航空動力的聯(lián)通性，使發(fā)動機具有情境感知和理解能力。GE公司將數(shù)字孿生技術(shù)視為加速未來先進技術(shù)發(fā)展的一個重要推動力，并專門開發(fā)了數(shù)字孿生工業(yè)云平臺Predix，目前正在該平臺上開展先進渦槳發(fā)動機（ATP）的研制。俄羅斯聯(lián)合發(fā)動機公司（UEC）下屬的禮炮燃氣渦輪發(fā)動機科研生產(chǎn)中心從2019年年底開始打造統(tǒng)一的數(shù)字孿生平臺，可整合所有產(chǎn)品和數(shù)學模擬過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、文件和專業(yè)化軟件程序。

禮炮燃氣渦輪發(fā)動機科研生產(chǎn)中心開發(fā)的數(shù)字孿生工作平臺[2]

數(shù)字孿生在試驗中的應用主要是針對試驗對象和環(huán)境開展建模，實現(xiàn)航空發(fā)動機在物理和虛擬空間的多學科、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)合體在進行發(fā)動機臺架試驗時，會與物理試驗同時建立其數(shù)字孿生體，并開展虛擬試驗，建立起物理空間與虛擬空間的互聯(lián)互通，進而可實時掌握發(fā)動機性能，排查試驗過程中的問題，俄羅斯計劃在2024年將數(shù)字孿生技術(shù)引入至航空發(fā)動機試驗，有效提高測試質(zhì)量，減少試驗項目。歐盟在“清潔天空”2（CleanSky 2）項目中專門安排了虛擬建模、虛擬適航等試驗關(guān)鍵技術(shù)研究。羅羅公司的80號發(fā)動機試車臺構(gòu)建了虛擬數(shù)字孿生平臺，模擬各種物理試驗難以企及的運行場景，實現(xiàn)預測性維修，大幅度提升發(fā)動機的可用率和可靠性。法國航空發(fā)動機試驗中心開發(fā)了航空發(fā)動機虛擬試驗臺SIMATMO，可以模擬真實飛行條件下發(fā)動機的運行狀態(tài)，預測其性能。

數(shù)字孿生應用于壓氣機試驗的方法探索

構(gòu)建壓氣機虛實結(jié)合試驗框架模式

傳統(tǒng)的壓氣機試驗方案的設計、試驗性能的判斷、試驗風險的識別和壓機性能的優(yōu)化主要依賴試驗人員的經(jīng)驗積累。而在工程研制中，全尺寸壓氣機具有轉(zhuǎn)速高、振動復雜，并存在喘振或葉片顫振等風險，特別是壓氣機首次上臺試驗，很多壓氣機特性是未知或明顯偏離仿真結(jié)果，留給試驗人員現(xiàn)場判斷和操作的時間非常有限。因此，需要構(gòu)建一個能夠?qū)崿F(xiàn)對壓氣機物理試驗過程進行實時映射的虛擬試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)物理試驗和虛擬試驗數(shù)據(jù)信息的交互，依托物理試驗為虛擬試驗提供數(shù)據(jù)支撐，建立高可靠性的壓氣機試驗模型；可以實時修正設備和試驗件的工作狀態(tài)，依托虛擬試驗可以針對不同壓氣機氣動特點,在虛擬空間獲得詳細的壓氣機氣動性能和關(guān)鍵流動特征，建立模擬試驗環(huán)境的設備調(diào)控方案，方便評估測試數(shù)據(jù)的有效性；通過物理試驗與虛擬試驗的交互融合，為壓氣機試驗提供更詳實的數(shù)據(jù)信息，指導壓氣機試驗方案的制訂，全面提升壓氣機試驗能力。

壓氣機虛實結(jié)合試驗框架

發(fā)展虛擬試驗中的數(shù)字孿生模型

輕量化壓氣機數(shù)字孿生模型

發(fā)展在虛擬環(huán)境能夠反映壓氣機試驗過程的數(shù)字孿生模型是開展壓氣機虛擬試驗的關(guān)鍵。描述壓氣機物理試驗過程的要素主要包括試驗設備、壓氣機試驗件和測試設備。試驗設備用于營造試驗環(huán)境，調(diào)節(jié)壓氣機試驗工況，特別是能夠快速退出壓氣機失速或喘振狀態(tài)。壓氣機試驗件是被試對象，針對高壓壓氣機、風扇等不同試驗對象，其試驗性能、調(diào)節(jié)規(guī)律和性能優(yōu)化方向往往存在較大差異。測試裝置主要包括與壓氣機氣動性能相關(guān)的流量測量裝置，以及溫度、壓力、方向、速度等參數(shù)的測試受感部，決定了氣動性能測試結(jié)果的可靠性。因此，在構(gòu)建壓氣機虛擬試驗時，要發(fā)展出針對試驗設備、壓氣機和測試設備的數(shù)字孿生體，建立壓氣機試驗在虛擬空間和物理空間的映射關(guān)系，從而實現(xiàn)在壓氣機虛擬試驗環(huán)境下對物理試驗過程的反映。建立物理模型的方法可以通過數(shù)據(jù)與模型驅(qū)動相結(jié)合的方式。為實現(xiàn)虛實試驗融合，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，可行的方法是針對不同對象提煉需要模擬的關(guān)鍵參數(shù)，從而將模型進行輕量化處理（主要構(gòu)建一維模型和二維模型），實現(xiàn)對物理現(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

在壓氣機的物理試驗空間中，試驗設備、壓氣機試驗件和測試受感部之間具有強關(guān)聯(lián)性。當試驗設備的調(diào)節(jié)導致試驗環(huán)境發(fā)生變化，壓氣機自身的工況以及特性參數(shù)也會隨之改變。在一些條件下（如進氣畸變度較大、排氣壓力過高等）甚至會引發(fā)喘振，測試受感部獲得的物理參數(shù)也會隨壓氣機狀態(tài)改變而發(fā)生變化。當氣流分離較大、流動較惡劣時，測試數(shù)據(jù)的可靠性會降低，甚至明顯偏離真實情況。因此，面向不同種類的數(shù)字孿生模型，需要建立適應不同建模方法的模型數(shù)據(jù)信息交互關(guān)聯(lián)平臺，滿足試驗設備數(shù)字孿生模型、壓氣機數(shù)字孿生模型和測試裝置數(shù)字孿生模型之間在虛擬試驗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性能和流場，實時評估測試結(jié)果的有效性。

開展物理與虛擬試驗的協(xié)同

在壓氣機試驗過程中，建立物理與虛擬試驗進行協(xié)同開展的能力是非常重要的。一方面，在試驗過程中將測量的壓氣機試驗數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生模型的預測結(jié)果進行比較分析，并作為數(shù)據(jù)源實時修正試驗設備模型、壓氣機模型和測設裝置模型，從而能夠顯著提高壓氣機試驗數(shù)字孿生模型的預測精度。另一方面，基于修正后的數(shù)字孿生模型，以及在此基礎上得到的虛擬試驗結(jié)果，可以實現(xiàn)對壓氣機性能開展高精度預測，減少不必要的試驗內(nèi)容,提升試驗效能；基于虛擬試驗中獲得的詳細流場，評估被測物理量是否在測試受感部合理應用區(qū)間，實現(xiàn)對測試結(jié)果有效性的預判，降低性能誤判風險；基于對壓氣機總性能、級性能、詳細流場的綜合智能化分析，可以評估影響壓氣機性能的關(guān)鍵因素，明確壓氣機葉片角度優(yōu)化方向；基于對壓氣機特性、設備參數(shù)模型的多維度分析，可以提前預判壓氣機失速/喘振以及試驗設備極限工作狀態(tài)，指導壓氣機試驗工藝的制定和現(xiàn)場操作，顯著降低試驗風險。

結(jié)束語

將數(shù)字孿生技術(shù)融入到壓氣機試驗領(lǐng)域，發(fā)展虛擬與物理空間高度融合的試驗技術(shù)，將打破原有的壓氣機試驗模式，提高壓氣機試驗方案設計和數(shù)據(jù)分析能力，大幅提升試驗效能，降低試驗風險，縮短試驗周期。為達成壓氣機試驗虛實結(jié)合的目標，還需要在壓氣機測量技術(shù)、輕量化模型建立和數(shù)據(jù)交互等方法上開展進一步的研究工作?？梢灶A見，數(shù)字孿生技術(shù)在壓氣機試驗應用的不斷深入，將顯著提升壓氣機試驗水平，在發(fā)動機研制方面發(fā)揮舉足輕重的作用。