隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能發(fā)動機(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)運而生，為解決航空發(fā)動機(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)計效率、驗證準(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、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生不是簡單的仿真模擬、不是單純的數(shù)據(jù)存儲平臺、不是一成不變的系統(tǒng)，而是面向包括產(chǎn)品設(shè)計、試驗、加工制造、運行維護(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)展趨勢之一；2017年11月，美國武器生產(chǎn)商洛克希德-馬丁公司將數(shù)字孿生列為未來航空航天與國防的6大頂尖技術(shù)之首。近年來，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，該項技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)全生命周期的各個階段也有所應(yīng)用。
圖1數(shù)字孿生在產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的應(yīng)用示意
數(shù)字孿生技術(shù)用于設(shè)計
基于數(shù)字孿生的航空發(fā)動機(jī)設(shè)計的意義
基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品設(shè)計是指在產(chǎn)品數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的驅(qū)動下，利用已有物理產(chǎn)品與虛擬產(chǎn)品在設(shè)計中的協(xié)同作用，不斷挖掘產(chǎn)生新穎、獨特、具有價值的產(chǎn)品概念，將其轉(zhuǎn)化為詳細(xì)的產(chǎn)品設(shè)計方案，以降低產(chǎn)品實際行為與設(shè)計期望行為間的不一致性。在航空發(fā)動機(jī)設(shè)計階段，數(shù)字孿生的主要作用在于：根據(jù)用戶要求，構(gòu)建發(fā)動機(jī)仿真模型，形成發(fā)動機(jī)數(shù)字孿生體，并對其性能和功能進(jìn)行多系統(tǒng)聯(lián)合仿真，快速驗證產(chǎn)品的設(shè)計功能。
數(shù)字孿生技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)設(shè)計領(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)，建立航空動力的互聯(lián)性，使發(fā)動機(jī)具有情境感知和理解能力。此后，在“智能發(fā)動機(jī)”愿景的推動下，羅羅公司為發(fā)動機(jī)的每個葉片都創(chuàng)建了數(shù)字孿生體，并于2019年成功測試了“超扇”（UltraFan）發(fā)動機(jī)設(shè)計方案。
GE航空集團(tuán)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(jìn)渦槳發(fā)動機(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年年底開始將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計，其目的在于打造統(tǒng)一的數(shù)字平臺（如圖2所示），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，該中心使用了多種數(shù)值模擬方法，每種方法都對應(yīng)特定的發(fā)動機(jī)設(shè)計階段，目前技術(shù)人員正準(zhǔn)備將該數(shù)字平臺集成至數(shù)值模擬方法中，后續(xù)該技術(shù)將運用到雅克-130飛機(jī)改進(jìn)設(shè)計以及發(fā)動機(jī)的部件調(diào)試和驗證試驗中。
圖2禮炮制造中心開發(fā)的數(shù)字孿生工作平臺
數(shù)字孿生技術(shù)用于試驗
基于數(shù)字孿生的航空發(fā)動機(jī)試驗的意義
數(shù)字孿生驅(qū)動的測試／檢測模式是指在虛擬空間中構(gòu)建高保真的測試系統(tǒng)及被測對象虛擬模型，借助測試數(shù)據(jù)實時傳輸、測試指令傳輸執(zhí)行技術(shù)，在歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)的驅(qū)動下，實現(xiàn)物理被測對象和虛擬被測對象的多學(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)動機(jī)數(shù)學(xué)模型，還可以用于開展大量的虛擬試驗和適航性驗證試驗，包括開展加溫、冷卻及氣動載荷作用下的模擬試驗、模擬葉片斷裂的特種試驗、吞鳥試驗、結(jié)構(gòu)可靠性和耐久性試驗等。在航空發(fā)動機(jī)試驗中，數(shù)字孿生的主要作用在于：設(shè)計階段通過一系列可重復(fù)、可變參數(shù)、可加速的虛擬試驗，提前驗證航空發(fā)動機(jī)不同工況和外部條件下的性能情況。在發(fā)動機(jī)試驗過程中，通過從傳感器上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)實時反映發(fā)動機(jī)實體的整個行為過程，通過試驗過程中獲取的數(shù)據(jù)查找故障原因，預(yù)測可能發(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)動機(jī)試驗領(lǐng)域的典型應(yīng)用案例
俄羅斯航空發(fā)動機(jī)行業(yè)計劃在2024年完成數(shù)字孿生技術(shù)引入工作，計劃通過開展模擬真實條件下虛擬試驗、開發(fā)高保真驗證模型、采用專門的計算結(jié)果分析方法來提高測試質(zhì)量，減少試驗項目。預(yù)計該項技術(shù)將用于TV7-117ST、AI-222-25渦扇發(fā)動機(jī)和其他民用航空發(fā)動機(jī)中。目前，數(shù)字孿生技術(shù)在俄羅斯航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域已得到了實際應(yīng)用。聯(lián)合發(fā)動機(jī)公司（UEC）下屬土星科研生產(chǎn)聯(lián)合體在進(jìn)行發(fā)動機(jī)臺架試驗時，會同時建立其數(shù)字孿生體。通過該數(shù)字孿生體，工程人員可以實時了解到發(fā)動機(jī)的整個工作過程，有效查找和排除臺架試驗階段發(fā)現(xiàn)的問題，建立起實物與數(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)動機(jī)制造加工的意義
數(shù)字孿生起源于工業(yè)制造，主要的應(yīng)用對象也是工業(yè)制造。在航空發(fā)動機(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，通過在研制初期建立的數(shù)字孿生體，進(jìn)行航空發(fā)動機(jī)制造設(shè)備、制造流程、電氣設(shè)備、軟件同步設(shè)計，通過數(shù)字孿生體驗證制造過程，在驗證過程中出現(xiàn)問題時，只需修正模型，修正完成后再次執(zhí)行仿真，直至正確完成整個加工過程。在產(chǎn)線層，通過建立物理生產(chǎn)線的數(shù)字孿生體，提前進(jìn)行安裝、測試工藝仿真，模擬航空發(fā)動機(jī)制造的整個工藝流程。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，實現(xiàn)計劃、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)了多個工作流程。通過流程改進(jìn)，公司處理F-35進(jìn)氣道加工缺陷的決策時間縮短了33%，此項創(chuàng)舉獲得了2016年美國國防技術(shù)制造金獎。
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，來開展燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(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，以實現(xiàn)實物和孿生體的互聯(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)動機(jī)數(shù)字孿生技術(shù)開發(fā)項目第一階段工作。該項目的目的是減輕航空發(fā)動機(jī)的質(zhì)量，根據(jù)數(shù)字和智慧工廠的運營原則開發(fā)新的生產(chǎn)流程。使用數(shù)字孿生技術(shù)后，未來預(yù)計可使該型發(fā)動機(jī)質(zhì)量減輕50%。
2019年德國弗勞恩霍夫研究所與愛立信公司合作開展了數(shù)字孿生在整體葉盤制造過程中的應(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)，提出了整體葉盤高性能加工的技術(shù)解決方案，實現(xiàn)了整體葉盤生產(chǎn)過程的自動監(jiān)測和實時控制。
數(shù)字孿生技術(shù)用于運營維護(hù)
基于數(shù)字孿生的航空發(fā)動機(jī)運營維護(hù)的意義
在航空發(fā)動機(jī)運營維護(hù)階段，數(shù)字孿生的主要作用在于：實時監(jiān)測航空發(fā)動機(jī)的運行狀態(tài)，根據(jù)發(fā)動機(jī)的使用情況、運行維護(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)量問題，進(jìn)行預(yù)警，自動觸發(fā)自愈機(jī)制或提出解決方案來降低損害，同時將運行信息反饋給設(shè)計部門，以優(yōu)化設(shè)計、改善產(chǎn)品性能。
數(shù)字孿生技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)運營維護(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)動機(jī)的運營維護(hù)領(lǐng)域。GE航空集團(tuán)認(rèn)為，從概念設(shè)計階段就建立數(shù)字孿生體，這樣更有利于建立發(fā)動機(jī)設(shè)計、結(jié)構(gòu)模型與運行數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。GE航空集團(tuán)通過匯總設(shè)計、制造、運行各階段積累的數(shù)據(jù)及發(fā)動機(jī)實體在各階段的情況，實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)運行過程進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測、故障診斷、性能預(yù)測和控制優(yōu)化，其中就包括建立了波音777飛機(jī)的GE90發(fā)動機(jī)葉片數(shù)字孿生體，實時監(jiān)測葉片的工作狀態(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)動機(jī)的實際應(yīng)用，GE航空集團(tuán)還開發(fā)了預(yù)測性維修和維護(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)動機(jī)愿景的框架下建立了全套數(shù)學(xué)模型，并將發(fā)動機(jī)實體工作時的場景映射到數(shù)字孿生體來改進(jìn)和調(diào)整發(fā)動機(jī)的運行狀態(tài)和發(fā)動機(jī)高效維護(hù)。
數(shù)字孿生技術(shù)對我國航空發(fā)動機(jī)研制的作用
目前，我國航空發(fā)動機(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、試驗、加工和維護(hù)方法，數(shù)字化程度較低。面對新一代航空發(fā)動機(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)來提高研制能力，縮短與國際先進(jìn)水平的差距。
統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲和管理平臺，解決數(shù)據(jù)孤島和數(shù)據(jù)利用問題
目前，國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計、試驗、加工制造和健康管理還未建成統(tǒng)一的管理平臺，各自為營，不成體系。試驗數(shù)據(jù)由試驗人員統(tǒng)一管理和處理，設(shè)計人員無法直接訪問或獲取原始試驗數(shù)據(jù)，不利于從原始數(shù)據(jù)方面入手排故。試驗數(shù)據(jù)在處理或傳遞過程可能會因存儲不當(dāng)或人為因素造成篡改或缺失，不利于保證設(shè)計分析的正確性。試驗人員在進(jìn)行試驗準(zhǔn)備時，也無法查看設(shè)計文件，無法詳細(xì)了解設(shè)計方案和目的，不利于試驗人員設(shè)計和優(yōu)化試驗方案，從而有針對性地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。此外，工藝和維修人員無法訪問設(shè)計和試驗平臺存儲的數(shù)據(jù)，無法更全面地了解航空發(fā)動機(jī)的整體情況，只能基于傳統(tǒng)的工藝流程和經(jīng)驗開展相關(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、試驗、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)一的工作平臺內(nèi)完成，生成的所有孿生數(shù)據(jù)、孿生模型和孿生過程均存儲在同一平臺內(nèi)。在整個平臺內(nèi)，參與航空發(fā)動機(jī)研制的所有人員都可以在系統(tǒng)內(nèi)訪問所有歷史數(shù)據(jù)，包括最近更新的數(shù)據(jù)。訪問權(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)完好無損。并且，整個發(fā)動機(jī)全生命周期過程均以數(shù)據(jù)模型的形式存儲在網(wǎng)絡(luò)空間中，可以有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可溯源、可復(fù)現(xiàn)。系統(tǒng)還可以自動生成發(fā)動機(jī)當(dāng)前計算結(jié)果與設(shè)定要求匹配度報告，加快產(chǎn)品研制過程和內(nèi)部數(shù)據(jù)交互速度。
加快設(shè)計-驗證迭代，解決試驗耗時長和試驗條件限制問題
對于傳統(tǒng)的航空發(fā)動機(jī)研發(fā)，需要開展大量的試驗進(jìn)行可靠性、安全性和特性驗證，耗時較長。完成驗證后，還需要根據(jù)試驗結(jié)果反復(fù)迭代、多次修正，產(chǎn)品調(diào)試時間長，花費成本高。對試驗設(shè)備的要求也很高，需要建立專門的地面臺、高空臺、飛行臺。而且，試驗具有局限性，無法模擬一些極端工況。
采用數(shù)字孿生技術(shù)可以實現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)虛擬試驗?zāi)M。開展虛擬試驗不需要建立任何的實體試驗設(shè)備，還可以縮減大量地面和飛行試驗數(shù)量。只需將設(shè)計階段建立的數(shù)字孿生體放置在虛擬試驗場，設(shè)置真實的試驗環(huán)境開展試驗，就可以驗證發(fā)動機(jī)的各項性能，指導(dǎo)發(fā)動機(jī)實體的試驗與測試安排。此外，進(jìn)行虛擬試驗時，試驗發(fā)動機(jī)上的傳感器安裝位置已經(jīng)精確設(shè)定，所需開展的試驗工況也已確定。在開展樣機(jī)試驗時，技術(shù)人員無須再花費大量的時間來確定傳感器的分布位置，考慮最佳試驗循環(huán)數(shù)。試驗完成后，采用數(shù)字孿生技術(shù)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動計算和分析，降低了人為因素引起數(shù)據(jù)缺失或篡改的可能性，縮短了人工手動處理數(shù)據(jù)的時間。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)動機(jī)一些參數(shù)、外部條件、附件故障時發(fā)動機(jī)的工作情況。根據(jù)俄羅斯禮炮制造中心和英國安本（Aberdeen）集團(tuán)預(yù)測，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，解決傳統(tǒng)模擬仿真方法精度不高和仿真限制問題
我國各科研院所和企業(yè)在進(jìn)行航空發(fā)動機(jī)研制的過程中廣泛采用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題，產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)需要耗費大量的人力、物力成本進(jìn)行處理，還需要根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)不斷地手動迭代來修正模型。此外，傳統(tǒng)的航空發(fā)動機(jī)仿真建模是以獨立的單元體為基礎(chǔ)，各單元體之間沒有關(guān)聯(lián)和交叉，耦合性不強(qiáng)。
數(shù)字孿生系統(tǒng)是一個帶自學(xué)功能的高精度系統(tǒng)。它不僅可以通過模型驅(qū)動和數(shù)據(jù)驅(qū)動不斷優(yōu)化用于解決傳統(tǒng)機(jī)理模型無法解決的一些問題，還能從靜態(tài)結(jié)構(gòu)組成和動態(tài)過程兩方面確保研制精度。靜態(tài)方面來講，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，每個模型均可以描述發(fā)動機(jī)的熱力學(xué)、強(qiáng)度、聲學(xué)、氣動性能。模擬的過程中考慮了材料、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、全機(jī)樣機(jī)試驗、子系統(tǒng)樣機(jī)試驗與設(shè)計要求的匹配情況下開展復(fù)雜過程深度分析。動態(tài)方面來講，數(shù)字孿生體是對航空發(fā)動機(jī)實體整個動態(tài)過程的真實反應(yīng)，雙方互聯(lián)互通。航空發(fā)動機(jī)實體通過傳感器將數(shù)據(jù)映射至數(shù)字孿生體。數(shù)字孿生體在不斷接收實體數(shù)據(jù)的過程中演化。接收到的數(shù)據(jù)不僅可以用于反映實體的使用行為，驗證計算模型，如零部件內(nèi)部載荷、幅頻特性、總振動量、噪聲、壓力脈動、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)計和加工，避免開展大量的樣機(jī)試驗。實體發(fā)動機(jī)與數(shù)字孿生體間的誤差不超過5%。根據(jù)數(shù)字孿生技術(shù)研制航空發(fā)動機(jī)有可能一次就通過驗證試驗和國家試驗。
結(jié)束語
數(shù)字孿生技術(shù)作為各先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)企業(yè)大力發(fā)展的一種技術(shù)，可以提高整個研制過程的有效性、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。針對我國當(dāng)前廣泛采用的傳統(tǒng)模擬仿真技術(shù)的缺點和研制、生產(chǎn)、維護(hù)多方斷口式工作模式造成發(fā)動機(jī)研制周期長、費用高的特點，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、解決問題能力強(qiáng)等方面的優(yōu)勢，將成為我國航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)趕超國際先進(jìn)發(fā)展水平的重要手段和強(qiáng)有力的助推劑。
