基于系統(tǒng)仿真方法的航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬樣機(jī)構(gòu)建

■ 劉 魁 張建超/中國(guó)航發(fā)研究院

以系統(tǒng)仿真為手段，航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬樣機(jī)為載體，可使設(shè)計(jì)人員從重復(fù)性建模和繁雜的計(jì)算工作中解脫出來(lái)，專注于航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的研究，提高研發(fā)效率。

仿真是研制現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)不可或缺的技術(shù)手段，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、制造、維修保障等環(huán)節(jié)占有重要地位。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制領(lǐng)域應(yīng)用到的仿真手段主要有兩大類。

一類是計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）仿真，主要以計(jì)算流體力學(xué)、計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)、計(jì)算燃燒學(xué)等學(xué)科及多種技術(shù)的組合為代表，以計(jì)算機(jī)科學(xué)和高性能計(jì)算能力為支撐，致力于獲取設(shè)計(jì)結(jié)果的細(xì)節(jié)，側(cè)重對(duì)場(chǎng)的描述，可以獲得豐富的信息?，F(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)涉及到機(jī)、電、液、控、熱等多個(gè)學(xué)科，是多物理域?qū)ο蠼?jīng)高度集成與融合而形成的復(fù)雜系統(tǒng)，采用場(chǎng)的形式進(jìn)行多學(xué)科仿真的難度高、計(jì)算量大。

另一類則是以描述系統(tǒng)的運(yùn)行、演化及其發(fā)展過程為目的，采用數(shù)學(xué)方法宏觀地描述研究對(duì)象，建立能表達(dá)其結(jié)構(gòu)或行為過程的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析決策，即系統(tǒng)仿真方法。系統(tǒng)仿真由于仿真效率高、計(jì)算結(jié)果直觀，可以快速形成對(duì)設(shè)計(jì)效果的評(píng)估，是實(shí)施航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)級(jí)虛擬集成驗(yàn)證的有效可行手段。

虛擬樣機(jī)建設(shè)思路

早期的虛擬樣機(jī)（Virtual Prototype）技術(shù)主要用于數(shù)字樣機(jī)（DMU）。DMU是指在計(jì)算機(jī)上表達(dá)的機(jī)械產(chǎn)品整機(jī)或子系統(tǒng)的數(shù)字化模型，側(cè)重與真實(shí)物理產(chǎn)品之間的精確尺寸表達(dá)，用來(lái)分析結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，對(duì)功能和性能關(guān)注得不多。

目前,虛擬樣機(jī)主要用系統(tǒng)仿真方法來(lái)驗(yàn)證物理樣機(jī)的功能和性能，主要是指在需求分析、方案論證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、演示驗(yàn)證等階段使用的、代替實(shí)物樣機(jī)的數(shù)字模擬產(chǎn)品。虛擬樣機(jī)將建模與仿真技術(shù)擴(kuò)展到產(chǎn)品研制的全過程，以計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作為基礎(chǔ)，完成需求定義、運(yùn)行分析、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、制造性分析、性能評(píng)估等工作。

在研制過程中，隨著認(rèn)識(shí)的不斷加深，虛擬樣機(jī)的構(gòu)建開發(fā)是一個(gè)不斷進(jìn)化、不斷完善的過程。經(jīng)過迭代，逐步完善，可使虛擬樣機(jī)逐漸逼近最終的實(shí)際物理樣機(jī)。從虛擬樣機(jī)運(yùn)行中可獲得指定任務(wù)剖面下各部件/系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、過渡態(tài)功能及性能參數(shù)，為各部件/系統(tǒng)的功能、性能設(shè)計(jì)提供整機(jī)級(jí)驗(yàn)證環(huán)境。

圖1 虛擬樣機(jī)構(gòu)建思路

如圖1所示，開展虛擬樣機(jī)構(gòu)建技術(shù)的研究，可以成熟型號(hào)為驗(yàn)證平臺(tái)，明確設(shè)計(jì)需求、應(yīng)用問題、仿真技術(shù)和科學(xué)原理，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程的專業(yè)分工和行業(yè)慣例，經(jīng)過分析運(yùn)行環(huán)境和整機(jī)功能邏輯，構(gòu)建整機(jī)仿真架構(gòu)，建立子系統(tǒng)架構(gòu)，自頂向下分類分層構(gòu)建模型。在完成各類各層模型的校核驗(yàn)證與確認(rèn)（VV&A）后，再自底向上開展整機(jī)集成，利用成熟型號(hào)的存量數(shù)據(jù)和實(shí)物平臺(tái)開展虛擬樣機(jī)構(gòu)建技術(shù)的驗(yàn)證。

構(gòu)建虛擬樣機(jī)需要在目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真工作基礎(chǔ)上，以總體性能仿真為主線，通過提升現(xiàn)有仿真技術(shù)水平和建設(shè)聯(lián)合仿真能力，將各分系統(tǒng)按需求逐次接入，使虛擬樣機(jī)逐步具備系統(tǒng)級(jí)的整機(jī)、全要素仿真功能。在此過程中，需結(jié)合總體性能和控制系統(tǒng)專業(yè)，完善現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)、過渡態(tài)仿真，將與性能評(píng)估密切相關(guān)的空氣系統(tǒng)、防冰系統(tǒng)等總體類專業(yè)連入，充實(shí)總體的內(nèi)涵；完善滑油系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)等系統(tǒng)現(xiàn)有仿真能力后，通過多物理域聯(lián)合仿真技術(shù)的應(yīng)用，使其具備與其他專業(yè)耦合仿真的能力，并接入虛擬樣機(jī)仿真系統(tǒng)；通過軟件聯(lián)合仿真或模型交換等方式與虛擬樣機(jī)連接，打通執(zhí)行機(jī)構(gòu)、附件傳動(dòng)、可調(diào)部件等涉及到機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)專業(yè)之間的性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)，最終完成整機(jī)級(jí)的虛擬樣機(jī)構(gòu)建。

虛擬樣機(jī)與真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與功能相對(duì)應(yīng)，如圖2所示。實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)專業(yè)或系統(tǒng)被離散成具備相應(yīng)功能的數(shù)學(xué)模型，通過多種接口建立起專業(yè)/系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)和信息聯(lián)系。其中，控制系統(tǒng)給出調(diào)節(jié)規(guī)律和控制算法，空氣系統(tǒng)則從風(fēng)扇/壓氣機(jī)引氣，氣體經(jīng)冷卻密封后排入渦輪或進(jìn)行間隙控制，二者直接作用于發(fā)動(dòng)機(jī)的總體性能。經(jīng)控制規(guī)律調(diào)節(jié)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過燃油工質(zhì)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)或噴管調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，作用于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，改變大部件的特性。傳動(dòng)系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)關(guān)聯(lián)后，同步計(jì)算兩者的功率和各部位發(fā)熱量，由滑油系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，與燃油系統(tǒng)一起完成熱管理。這些涉及到機(jī)械、運(yùn)動(dòng)、電氣、信號(hào)、流體、熱等類型的仿真數(shù)據(jù)接口類型和燃油、滑油、空氣、燃?xì)獾榷喾N介質(zhì)類型的建模與仿真，是典型的多物理系統(tǒng)聯(lián)合仿真問題。

虛擬樣機(jī)的構(gòu)建

圖2 虛擬樣機(jī)框架

為了建立整機(jī)級(jí)航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬樣機(jī)，除完成原有的CAE仿真工作之外，整機(jī)多物理系統(tǒng)聯(lián)合仿真也對(duì)各部件/系統(tǒng)提出了要求，以下以總體性能、燃油系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)和飛發(fā)一體化等專業(yè)的實(shí)施為例作出說(shuō)明。

總體性能的實(shí)施方案

在原有基礎(chǔ)上建立具備模型交換和聯(lián)合仿真功能的模型。為滿足整機(jī)集成驗(yàn)證的需求，建立部件與系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)接口，如控制系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)等，計(jì)算考慮多系統(tǒng)耦合因素的部件特性圖，如大引氣量狀態(tài)、大提取功率狀態(tài)的壓氣機(jī)特性；為準(zhǔn)確描述動(dòng)態(tài)過程，需要對(duì)部件在實(shí)際運(yùn)行過程中存在的離散/連續(xù)過程建模并充分驗(yàn)證，過程如圖3所示。

熱管理的實(shí)施方案

熱管理系統(tǒng)涉及面廣，工作時(shí)與發(fā)動(dòng)機(jī)工況直接相關(guān)。梳理發(fā)動(dòng)機(jī)任務(wù)剖面和熱管理系統(tǒng)的控制邏輯，按照運(yùn)行過程形成仿真模型的運(yùn)行時(shí)序，是熱管理系統(tǒng)仿真的重要組成部分。因此，需要根據(jù)熱管理系統(tǒng)方案搭建熱管理系統(tǒng)仿真架構(gòu)，并將部件模型填充進(jìn)仿真框架進(jìn)行仿真，實(shí)施過程如圖4所示。

圖3 總體性能的實(shí)施

圖4 熱管理系統(tǒng)的實(shí)施

飛發(fā)一體化的實(shí)施方案

根據(jù)仿真需求，利用分層級(jí)建模方法建立不同分辨率的模型，進(jìn)而搭建發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬樣機(jī)。在構(gòu)建虛擬樣機(jī)時(shí)需預(yù)留與流體、電氣、液壓、機(jī)械等接口，通過這些接口將虛擬樣機(jī)與飛行器的相關(guān)系統(tǒng)連接，開展飛發(fā)一體化集成驗(yàn)證和應(yīng)用研究，實(shí)施過程如圖5所示。

圖5 飛發(fā)一體化的實(shí)施

虛擬樣機(jī)的技術(shù)流程

系統(tǒng)模型由預(yù)先建立的下層模型按照一定規(guī)則搭建配置而成，在完成仿真條件設(shè)置后進(jìn)行系統(tǒng)仿真，最終得到系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)或動(dòng)態(tài)特性，如圖6所示。在該過程中，通過數(shù)據(jù)建?；虬次锢碓斫５玫降讓右痪S通用仿真模型，按照聯(lián)合仿真需求配置該模型的接口，再調(diào)用特性，得到完整的一維模型。由于建模環(huán)境不一致，采用功能模塊界面（Functional Mock-up Interface，F(xiàn)MI）協(xié)議，將航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域不同仿真環(huán)境下建立的模型導(dǎo)出為功能模塊單元（Functional Mock-up Unit，F(xiàn)MU）,而后再導(dǎo)入同一仿真環(huán)境下進(jìn)行集成。

完備的模型特性是精確仿真的基礎(chǔ)，但是仿真過程中經(jīng)常遇到特性參數(shù)不全的情況，此時(shí)可以借助變維度仿真解決。利用二維/三維CAE數(shù)值模擬方法，通過CFD、CSD等途徑獲得元件的未知特性，并經(jīng)變維度接口返回給系統(tǒng)仿真模型，使虛擬樣機(jī)的運(yùn)行順利進(jìn)行。

在仿真前需要明確各部件、系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯，并形成各個(gè)模型運(yùn)行的時(shí)序提供給虛擬樣機(jī)仿真過程。

圖6 系統(tǒng)級(jí)仿真流程

支撐虛擬樣機(jī)構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)

開發(fā)航空發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)仿真模型庫(kù)

完備的模型庫(kù)是構(gòu)建功能/性能虛擬樣機(jī)的支撐，自主可控模型庫(kù)是支持發(fā)動(dòng)機(jī)自主研制的必備條件。航空發(fā)動(dòng)機(jī)是基于布雷頓循環(huán)的流體機(jī)械，氣動(dòng)、液壓、潤(rùn)滑等系統(tǒng)是其重要的組成部分，這些流體系統(tǒng)建模過程中存在的高度非線性問題給仿真造成很大難度。近年來(lái)，雖然國(guó)內(nèi)在求解器方面有一定突破，但航空發(fā)動(dòng)機(jī)專用仿真模型庫(kù)的開發(fā)相對(duì)滯后，成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域難以廣泛應(yīng)用系統(tǒng)仿真技術(shù)的制約因素。

連續(xù)/離散過程梳理與建模驗(yàn)?zāi)?/h3>

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中存在大量事件，它們的動(dòng)態(tài)特性可以是連續(xù)時(shí)變的，也可以是離散時(shí)變的，即狀態(tài)只在某些離散時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生變化（見表1）。對(duì)這兩種事件過程的建模及仿真求解方法有很大差異。動(dòng)態(tài)連續(xù)建模的關(guān)鍵是基于能量守恒、動(dòng)量守恒、質(zhì)量守恒等基本物理定律描述系統(tǒng)行為，而離散事件建模的關(guān)鍵是怎樣表達(dá)與事件相關(guān)的行為。在前期研究過程中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的大多數(shù)傳統(tǒng)專業(yè)將航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為連續(xù)系統(tǒng)來(lái)處理，對(duì)離散事件過程的研究積累和處理經(jīng)驗(yàn)相對(duì)不足。需要仔細(xì)梳理航空發(fā)動(dòng)機(jī)中發(fā)生的離散事件，深入開展離散和混合過程的建模仿真驗(yàn)證工作，尤其是存在多物理過程的事件。

仿真層次化建模技術(shù)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬樣機(jī)涵蓋了發(fā)動(dòng)機(jī)主要功能和性能的仿真任務(wù)，由于整體上模型種類數(shù)目繁多，各系統(tǒng)模型執(zhí)行的仿真時(shí)間尺度差異較大，虛擬樣機(jī)的構(gòu)建勢(shì)必面臨著不同類型模型運(yùn)行速度的匹配、系統(tǒng)間的時(shí)空一致性、仿真時(shí)間與實(shí)際時(shí)間的匹配等問題，因此按照模型所處層級(jí)，恰當(dāng)?shù)剡x用模型或簡(jiǎn)化模型，使模型既滿足各系統(tǒng)間協(xié)調(diào)運(yùn)行的要求，又滿足工程設(shè)計(jì)對(duì)仿真速度的要求，是重要的工作內(nèi)容。

表1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的離散時(shí)間與連續(xù)事件示例

開發(fā)航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬樣機(jī)仿真平臺(tái)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬樣機(jī)的構(gòu)建需要相應(yīng)的虛擬環(huán)境，該環(huán)境用于虛擬樣機(jī)的架構(gòu)開發(fā)、整機(jī)各系統(tǒng)的仿真模型管理、整機(jī)/系統(tǒng)級(jí)模型測(cè)試以及任務(wù)管理等工作。在整機(jī)架構(gòu)里，通過各類標(biāo)準(zhǔn)接口建立起模型間的數(shù)據(jù)聯(lián)通能力，將開發(fā)的基礎(chǔ)模型填充進(jìn)整機(jī)仿真架構(gòu)，按模塊或系統(tǒng)從小規(guī)模逐步擴(kuò)大到整機(jī)規(guī)模的測(cè)試，最終將調(diào)試完成的整機(jī)虛擬樣機(jī)作為型號(hào)的一部分管理起來(lái)。

結(jié)束語(yǔ)

虛擬樣機(jī)可以有力支持航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)集成驗(yàn)證，利用虛擬樣機(jī)在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段對(duì)方案進(jìn)行確認(rèn)，降低風(fēng)險(xiǎn)，提高效率。系統(tǒng)仿真方法是構(gòu)建航空發(fā)動(dòng)機(jī)功能/性能虛擬樣機(jī)的有效手段，經(jīng)歷了從單一學(xué)科獨(dú)立建模到多學(xué)科統(tǒng)一建模與聯(lián)合仿真，從面向過程建模到面向?qū)ο蠼５倪^程。通過多物理域系統(tǒng)建模與聯(lián)合仿真，將機(jī)械、控制、電子、液壓和氣動(dòng)等不同學(xué)科的模型集成起來(lái)，構(gòu)建成為包含相對(duì)完整信息的虛擬樣機(jī)并有效運(yùn)行，為快速設(shè)計(jì)迭代和部件/零件的功能/性能設(shè)計(jì)確認(rèn)提供整機(jī)級(jí)驗(yàn)證環(huán)境，對(duì)提高研發(fā)效率有重要意義。