基于數(shù)字孿生的航空發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期管理

■ 劉 婷 張建超 劉 魁/中國航發(fā)研究院

數(shù)字孿生（Digital Twin）技術(shù)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)物理-虛擬世界高度融合的重要手段。什么是數(shù)字孿生？它源自何處？在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域有何應(yīng)用？

隨著物理學(xué)、數(shù)據(jù)科學(xué)和新一代信息技術(shù)（云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等）的集成和擴(kuò)展應(yīng)用，以智能制造為主導(dǎo)的下一代數(shù)字化制造技術(shù)正在醞釀。而如何實(shí)現(xiàn)物理-虛擬世界間的信息互通和高度融合是智能制造實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。在這樣的背景下，數(shù)字孿生作為支撐未來物理-虛擬世界之間虛實(shí)交融的最有潛力的手段，逐漸進(jìn)入公眾視野，并被加德納（Gartner）公司預(yù)測(cè)為2018年排名前十的戰(zhàn)略技術(shù)趨勢(shì)之一。

數(shù)字孿生的概念

數(shù)字孿生的概念是由美國密歇根大學(xué)的邁克爾·格里夫斯（Michael Grieves）教授與美國國家航空航天局（NASA）的專家約翰·維克斯（John Vickers）共同提出的，并于2003年在格里夫斯教授所講授的產(chǎn)品生命周期管理（PLM）課程上被首次引入。

圖1 數(shù)字孿生示意圖

受限于當(dāng)時(shí)的信息技術(shù)條件和數(shù)據(jù)采集能力，數(shù)字孿生在初期僅僅是一個(gè)顛覆性的概念，以輔助理解物理實(shí)體與其背后蘊(yùn)藏的信息之間的關(guān)系。在隨后的十年內(nèi)，支撐虛擬產(chǎn)品開發(fā)以及物理產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造維修的信息技術(shù)獲得爆炸式發(fā)展，大量的虛擬開發(fā)工具涌現(xiàn)，不僅能超現(xiàn)實(shí)地描述物理實(shí)體的幾何細(xì)節(jié)，還能通過仿真預(yù)測(cè)其性能。此外，企業(yè)對(duì)產(chǎn)品健康管理的需求導(dǎo)致大量無損檢測(cè)技術(shù)（如傳感器、坐標(biāo)測(cè)量儀、視覺系統(tǒng)和白光掃描等）出現(xiàn)，使得越來越多的產(chǎn)品運(yùn)行數(shù)據(jù)被采集。

上述技術(shù)的發(fā)展，為探索數(shù)字孿生如何成為產(chǎn)品閉環(huán)全生命周期中的重要組成部分帶來了新的契機(jī)。2011年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）將數(shù)字孿生引入飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)中，并提出了一個(gè)機(jī)體的數(shù)字孿生體的概念模型（如圖1所示）。2012年，NASA發(fā)布《技術(shù)領(lǐng)域11：建模、仿真、信息技術(shù)和處理路線圖》，給出了數(shù)字孿生的具體定義，并被廣為接受。數(shù)字孿生是一個(gè)集成的多物理、多尺度、概率性的在建系統(tǒng)高保真仿真模型，由數(shù)字主線（digital thread）驅(qū)動(dòng)，借助高精度模型、傳感器信息和輸入數(shù)據(jù)來映射和預(yù)測(cè)實(shí)際物理孿生實(shí)體全生命周期的運(yùn)行情況和性能。

數(shù)字主線是一種可擴(kuò)展、可配置和組件化的企業(yè)級(jí)分析框架，可以無縫加快權(quán)威技術(shù)數(shù)據(jù)、軟件、信息和知識(shí)在企業(yè)信息-知識(shí)系統(tǒng)中的相互作用。數(shù)字主線基于數(shù)字系統(tǒng)模型（DSM）模板，在系統(tǒng)全生命周期的各個(gè)階段通過提供訪問能力、集成能力和將異構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可操作信息的能力，為決策者提供信息。由此可知，數(shù)字主線可為數(shù)字孿生提供數(shù)據(jù)接口和接入標(biāo)準(zhǔn)，具有集成和處理大量異構(gòu)數(shù)據(jù)的能力，支撐物理世界與數(shù)字世界之間的雙向數(shù)據(jù)交流。

通過分析數(shù)字孿生的定義可知，數(shù)字孿生的內(nèi)涵包括以下幾個(gè)方面：

● 數(shù)字孿生包含表征在建系統(tǒng)材料微觀組織結(jié)構(gòu)、缺陷、制造公差等特性的精確模型，且其長度跨越了從微米到米的寬廣范圍；

● 數(shù)字孿生需要一系列高保真物理模型的支撐；

● 數(shù)字孿生高度依賴綜合健康管理系統(tǒng)（IVHM），不斷傳輸產(chǎn)品運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如變形、應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、振動(dòng)等，動(dòng)態(tài)修正自身模型，精確預(yù)測(cè)和監(jiān)控產(chǎn)品的性能、壽命、任務(wù)可靠性，達(dá)到虛實(shí)融合的目的；

●數(shù)字孿生通過大數(shù)據(jù)挖掘、文本挖掘集成產(chǎn)品數(shù)據(jù)資料、維修報(bào)告和其他歷史信息，為仿真提供支撐。

數(shù)字孿生技術(shù)可在實(shí)際產(chǎn)品運(yùn)行之前，先在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行“試運(yùn)行”，研究不同任務(wù)參數(shù)或異?，F(xiàn)象所帶來的影響，驗(yàn)證性能退化和損傷的緩解策略，支持參數(shù)化研究以優(yōu)化運(yùn)行方案，使得任務(wù)成功的概率最大化；此外，數(shù)字孿生可以映射實(shí)際產(chǎn)品的運(yùn)行過程，通過不斷接收實(shí)際產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)的負(fù)載、溫度等環(huán)境參數(shù)，修正模型精度，連續(xù)預(yù)測(cè)實(shí)際產(chǎn)品的運(yùn)行情況；數(shù)字孿生的另一個(gè)重要應(yīng)用是實(shí)時(shí)預(yù)判產(chǎn)品運(yùn)行過程中可能發(fā)生的潛在事故，當(dāng)實(shí)際產(chǎn)品上布置的傳感器將產(chǎn)品健康退化的狀態(tài)傳遞到數(shù)字孿生體中時(shí)，能迅速分析并診斷出導(dǎo)致異?，F(xiàn)象的原因；此外，數(shù)字孿生可預(yù)測(cè)產(chǎn)品出現(xiàn)設(shè)計(jì)狀態(tài)未考慮到的異常情況時(shí)的性能變化、任務(wù)成功率和產(chǎn)品剩余壽命，為產(chǎn)品管理者提供決策依據(jù)。

數(shù)字孿生的研究現(xiàn)狀

AFRL將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)體的結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)中，并提出一種數(shù)字孿生機(jī)體概念，它具有超寫實(shí)性，包含實(shí)際飛機(jī)制造過程的公差和材料微觀組織結(jié)構(gòu)特性。借助高性能計(jì)算機(jī)，數(shù)字孿生機(jī)體能在實(shí)際飛機(jī)起飛前進(jìn)行大量虛擬飛行，發(fā)現(xiàn)非預(yù)期失效模式以修正設(shè)計(jì)；通過在實(shí)際飛機(jī)上布置傳感器，可實(shí)時(shí)采集飛機(jī)飛行過程中的參數(shù)（六自由度加速度、表面溫度和壓力等），并輸入數(shù)字孿生機(jī)體中修正其模型，進(jìn)而預(yù)測(cè)實(shí)際機(jī)體的剩余壽命（如圖2所示）。目前，NASA的專家正在研究一種降階模型（ROM），以預(yù)測(cè)機(jī)體所受的氣動(dòng)載荷和內(nèi)應(yīng)力。將ROM集成到結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)模型中，能夠進(jìn)行高保真應(yīng)力歷史預(yù)測(cè)、結(jié)構(gòu)可靠性分析和結(jié)構(gòu)壽命監(jiān)測(cè)，以提升飛機(jī)機(jī)體的管理。上述技術(shù)突破后，就能形成初始（低保真度）的數(shù)字孿生機(jī)體。此外，美國空軍科學(xué)研究辦公室正在開展結(jié)構(gòu)力學(xué)項(xiàng)目，旨在研究高精度結(jié)構(gòu)損傷發(fā)展和累積模型，與此同時(shí)，AFRL的飛行器結(jié)構(gòu)科學(xué)中心在研究熱-動(dòng)力-應(yīng)力多學(xué)科耦合模型，這些技術(shù)成熟后將被逐步集成到數(shù)字孿生體中，以進(jìn)一步提高數(shù)字孿生機(jī)體的保真度。

圖2 數(shù)字孿生機(jī)體概念模型壽命預(yù)測(cè)功能示意圖

除此之外，世界各大企業(yè)、制造商和軟件廠商也基于自身業(yè)務(wù)，提出與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生應(yīng)用模式，致力于實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)世界的深度交互和融合，推動(dòng)企業(yè)向協(xié)同創(chuàng)新研制、生產(chǎn)和服務(wù)轉(zhuǎn)型。

美國GE公司已將數(shù)字孿生應(yīng)用于各種工業(yè)活動(dòng)中，并取得顯著成效。在電力領(lǐng)域，目前已建成先進(jìn)的、功能強(qiáng)大的發(fā)電廠數(shù)字孿生體，它集成了發(fā)電廠內(nèi)各部件的分析模型，同時(shí)在實(shí)際發(fā)電廠內(nèi)布置了3000～5000個(gè)傳感器，將測(cè)量的震動(dòng)、溫度和壓力等參數(shù)實(shí)時(shí)上傳到數(shù)字孿生體中，以預(yù)測(cè)設(shè)備的健康狀態(tài)、磨損情況和性能。在航空領(lǐng)域，GE公司的多型正在使用的民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和正在研發(fā)的先進(jìn)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)（ATP）采用了或擬采用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)性維修服務(wù)，根據(jù)飛行過程中傳感器收集到的大量飛行數(shù)據(jù)、環(huán)境和其他數(shù)據(jù)，通過仿真可完整透視實(shí)際飛行中的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況，并判斷磨損情況和預(yù)測(cè)合理的維修時(shí)間，實(shí)現(xiàn)故障前預(yù)測(cè)和監(jiān)控。GE的數(shù)字孿生體在其開發(fā)的Predix工業(yè)云平臺(tái)上運(yùn)行。Predix平臺(tái)是一個(gè)集成的平臺(tái)及服務(wù)環(huán)境，可以獲取由設(shè)備傳感器傳輸?shù)暮Ａ繑?shù)據(jù)，同時(shí)管理和運(yùn)行分析模型，以高速驅(qū)動(dòng)商業(yè)規(guī)則引擎并管理大規(guī)模的工業(yè)數(shù)據(jù)。今后，Predix平臺(tái)將與業(yè)務(wù)應(yīng)用相結(jié)合，允許企業(yè)的決策者、管理者和工程師基于平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。

美國洛克希德-馬丁公司生產(chǎn)的F-35“閃電”Ⅱ通過數(shù)字孿生技術(shù)大大提升了軍用戰(zhàn)斗機(jī)制造和裝配的自動(dòng)化程度。數(shù)字孿生使得來自工程設(shè)計(jì)的3D精確實(shí)體模型被直接用于數(shù)控（NC）編程、坐標(biāo)測(cè)量儀（CMM）檢測(cè)和工具（也是3D實(shí)體模型）制造。迄今為止，采用數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了前所未有的部件裝配首次成功率，減少了返工次數(shù)，同時(shí)由于供應(yīng)商數(shù)據(jù)重新配置導(dǎo)致的工程變更時(shí)間也大大縮減。

法國達(dá)索公司提出了未來應(yīng)用于航空業(yè)、礦業(yè)、城市規(guī)劃等各種領(lǐng)域的數(shù)字孿生概念，即在其3D Experience平臺(tái)上對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品的特點(diǎn)和行為進(jìn)行展現(xiàn)、建模、模擬和可視化，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)者和用戶在產(chǎn)品誕生之前和制造過程中就能與產(chǎn)品進(jìn)行互動(dòng)，進(jìn)行產(chǎn)品測(cè)試，發(fā)現(xiàn)并消除潛在風(fēng)險(xiǎn)，輔助用戶理解產(chǎn)品工作情況。此外，在產(chǎn)品加工過程中，通過將實(shí)際測(cè)量的加工參數(shù)（如公差等）上傳至3D Experience平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體的動(dòng)態(tài)修正，進(jìn)一步提高其預(yù)測(cè)精度?；谶_(dá)索公司在產(chǎn)品全生命周期管理中的優(yōu)勢(shì)，波音公司計(jì)劃在航空航天與防務(wù)項(xiàng)目上，擴(kuò)大與達(dá)索的合作。

德國西門子公司所提出的數(shù)字孿生概念在其產(chǎn)品生命周期的各個(gè)階段有不同的表現(xiàn)形式，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行維修階段分別表現(xiàn)為產(chǎn)品數(shù)字孿生體、生產(chǎn)工藝流程數(shù)字孿生體和設(shè)備數(shù)字孿生體，幫助企業(yè)在實(shí)際投入生產(chǎn)前既能在虛擬環(huán)境中優(yōu)化、仿真和測(cè)試產(chǎn)品性能，在生產(chǎn)過程中同步優(yōu)化整個(gè)企業(yè)制造工藝流程，最終實(shí)現(xiàn)高效的柔性生產(chǎn)和快速創(chuàng)新上市，鍛造企業(yè)持久競(jìng)爭(zhēng)力。此外，西門子公司建立了MindSpere工業(yè)云平臺(tái)，作為支撐數(shù)字孿生體運(yùn)行的環(huán)境，物理設(shè)備基于西門子的技術(shù)和工具，使設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)上傳到云平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)物理和虛擬世界的融合。

美國參數(shù)技術(shù)公司（PTC）建立了ThinkWorx工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，可將各種工業(yè)設(shè)備連接起來，通過大數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)分析技術(shù)，進(jìn)行產(chǎn)品的故障診斷，提高產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行時(shí)間。但采用上述方法提高售后與支持服務(wù)的效率有限。因此，PTC引入AR/VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，計(jì)劃將數(shù)字孿生與ThinkWorx工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的預(yù)測(cè)性維修功能相結(jié)合，使維修人員可在虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境下與數(shù)字孿生交互，甚至為現(xiàn)場(chǎng)工作人員提供PTC的專家支持，從而提高維修效率。最終，通過將數(shù)字孿生信息反映到下一代產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)階段，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的產(chǎn)品全生命周期數(shù)字化管理。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生體的體系框架

傳統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制模式已經(jīng)無法滿足日益增長的發(fā)動(dòng)機(jī)性能和工作范圍需求，以信息化為引擎的數(shù)字化、智能化研制模式是未來的發(fā)展趨勢(shì)。雖然數(shù)字化的提出由來已久，但之前的概念并沒有上升到數(shù)字孿生的高度。數(shù)字孿生發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)建，將引發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)智能化制造和服務(wù)的顛覆性創(chuàng)新。

圖3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生體應(yīng)用框架

筆者建立了如圖3所示的面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)閉環(huán)全生命周期的數(shù)字孿生體應(yīng)用框架。需要說明的是，在全生命周期的不同階段，數(shù)字孿生體有不同的表現(xiàn)形式。具體來說，在設(shè)計(jì)和試驗(yàn)階段，理論上還沒有物理的發(fā)動(dòng)機(jī)存在，此時(shí)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生體相對(duì)應(yīng)的是用戶的需求，通過將量化的需求指標(biāo)輸入到數(shù)字孿生體中，修正其模型，可預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的可靠性。而在制造/裝配、運(yùn)行/服務(wù)階段，與航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生體對(duì)應(yīng)的是物理的發(fā)動(dòng)機(jī)，通過將過程中物理發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)量參數(shù)實(shí)時(shí)傳入數(shù)字孿生體中，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)高度融合。在報(bào)廢/回收階段，雖然物理發(fā)動(dòng)機(jī)不存在了，但數(shù)字孿生體作為其全生命周期的數(shù)據(jù)和信息的管理庫，可以延伸到下一個(gè)周期的研制過程中，形成閉環(huán)的全生命周期管理。下面簡述每個(gè)階段的應(yīng)用過程。

設(shè)計(jì)階段

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制是一項(xiàng)典型的復(fù)雜系統(tǒng)工程，面臨著研制需求復(fù)雜、系統(tǒng)組成復(fù)雜、產(chǎn)品技術(shù)復(fù)雜、制造過程復(fù)雜、試驗(yàn)維修復(fù)雜、項(xiàng)目管理復(fù)雜、工作環(huán)境復(fù)雜等問題，基于同類型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字孿生體，根據(jù)量化的用戶需求指標(biāo)（如推重比、耗油率、喘振裕度、效率和可靠性等），可在設(shè)計(jì)階段快速構(gòu)建個(gè)性化新型發(fā)動(dòng)機(jī)的完整仿真模型，形成新型發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字孿生體，并對(duì)其整體性能和功能進(jìn)行多系統(tǒng)聯(lián)合仿真，大大提高新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)可靠性，快速驗(yàn)證新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)功能。

試驗(yàn)階段

傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制主要依靠物理試驗(yàn)，為了測(cè)試航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作性能和特性，需要建立能夠模擬發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作環(huán)境和使用工況條件的試驗(yàn)臺(tái)，如地面模擬試驗(yàn)臺(tái)、高空模擬試驗(yàn)臺(tái)、飛行模擬試驗(yàn)臺(tái)等。一方面，試驗(yàn)方案、試驗(yàn)工況的設(shè)計(jì)和優(yōu)化需要長期摸索，試驗(yàn)時(shí)間和成本高昂；另一方面，一些極端工況可能在現(xiàn)有試驗(yàn)條件下無法實(shí)現(xiàn)。基于設(shè)計(jì)階段形成的航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生體，可構(gòu)建包含綜合試驗(yàn)環(huán)境的航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)，基于量化的綜合試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)，不斷修正其模型，可對(duì)試驗(yàn)方案和測(cè)試參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)預(yù)測(cè)對(duì)應(yīng)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，診斷其潛在的風(fēng)險(xiǎn)，強(qiáng)調(diào)在實(shí)際飛行之前進(jìn)行“試飛”。

制造/裝配階段

在發(fā)動(dòng)機(jī)制造和裝配前，基于其數(shù)字孿生體可以進(jìn)行制造和裝配工藝優(yōu)化；在制造和裝配過程中，通過傳感器實(shí)時(shí)采集制造和裝配過程信息（尺寸公差、裝配間隙、應(yīng)力應(yīng)變等），基于大數(shù)據(jù)技術(shù)驅(qū)動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生體持續(xù)更新，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)高度近似，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支撐下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件制造過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控、修正和控制，保證零件的加工質(zhì)量同時(shí)形成個(gè)性化的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生體，為后續(xù)運(yùn)行/維修階段服務(wù)。

運(yùn)行/維修階段

在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)出廠時(shí)，存在一個(gè)與其高度一致的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生體同時(shí)交付給用戶。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行/維修階段，基于IVHM實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，如氣動(dòng)、熱、循環(huán)周期載荷、振動(dòng)、應(yīng)力應(yīng)變、環(huán)境溫度、環(huán)境壓力、濕度、空氣組分等，數(shù)字孿生體通過對(duì)上述飛行數(shù)據(jù)、歷史維修報(bào)告和其他歷史信息進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和文本挖掘，不斷修正自身仿真模型，可實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，進(jìn)行故障診斷和報(bào)警，借助VR/AR等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，還可實(shí)現(xiàn)支持專家和維修人員沉浸式交互，進(jìn)行維修方案制訂和虛擬維修訓(xùn)練。

報(bào)廢/回收階段

在實(shí)際物理發(fā)動(dòng)機(jī)被回收或報(bào)廢之后，與其對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生體作為發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期內(nèi)數(shù)字化信息的存儲(chǔ)和管理庫，可被永久保存，并被用于同類型發(fā)動(dòng)機(jī)的研制過程中，構(gòu)建閉環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期數(shù)字化設(shè)計(jì)和應(yīng)用模式，形成良性循環(huán)，大大加速發(fā)動(dòng)機(jī)的研制流程，提高發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的可靠性。

數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)

建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生體，需要克服許多關(guān)鍵技術(shù)難題。

一是多尺度、多物理場(chǎng)耦合模型的建立。航空發(fā)動(dòng)機(jī)屬于高溫高壓高速旋轉(zhuǎn)的熱力機(jī)械，其中包含大量熱、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等多學(xué)科耦合現(xiàn)象，且不同的物理場(chǎng)往往具有不同的時(shí)間和幾何尺度，因此實(shí)現(xiàn)對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)實(shí)際物理現(xiàn)象的精確求解十分困難，尤其是瞬態(tài)問題的求解。目前許多研究人員都在致力于上述研究，提出了一系列方法，典型的有界面接口法，即按學(xué)科劃分求解域，每一個(gè)時(shí)間步長下，不同求解域單獨(dú)求解，并通過統(tǒng)一的界面接口交換數(shù)據(jù)，該方法的關(guān)鍵和難點(diǎn)在于維持耦合以及確保求解的穩(wěn)定性、精度和收斂性。此外，還有聯(lián)合界面邊界條件法（CIBC），廣義有限元法（GFEM），空間-時(shí)間法和降階模型（ROMs）等。

二是傳感器測(cè)量。航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生體仿真的可靠性高度依賴于從實(shí)際運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)上采集的數(shù)據(jù)。目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用過程中監(jiān)測(cè)的狀態(tài)參數(shù)很少（典型參數(shù)包括：壓力、流量、轉(zhuǎn)速、溫度、熱流密度等），測(cè)量位置十分有限，需要引入更多在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠高頻率采集發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)關(guān)鍵部位的狀態(tài)參數(shù)，如應(yīng)力分布、變形、氣流速度、高溫蠕變、裂紋生成等。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際使用過程是在高空環(huán)境中，如何將大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛?、過濾噪聲數(shù)據(jù)并處理大量異構(gòu)數(shù)據(jù)也是亟需解決的難題。

三是不確定性的量化、模擬和控制。控制仿真不確定性量級(jí)的因素主要為計(jì)算的尺度和保真度，但影響不確定性的因素有很多，比如仿真的各項(xiàng)輸入?yún)?shù)，且這些輸入?yún)?shù)所帶入的不確定性的量級(jí)可能會(huì)超過模型中其余的不確定性，此時(shí)通過不斷細(xì)化計(jì)算尺度和提高保真度，對(duì)結(jié)果不確定性的積極影響可能不抵由于計(jì)算成本增加所產(chǎn)生的消極影響，需要在二者間選擇一個(gè)折中方案。因此，在執(zhí)行仿真前需要判斷所選擇的尺度和保真度對(duì)于仿真結(jié)果不確定性的影響，以控制不確定性的量級(jí)，現(xiàn)有的方法大都為抽樣法，如蒙特卡羅（Monte Carlo）法等，會(huì)產(chǎn)生高昂的計(jì)算成本，需要研究更為高效的不確定性量化方法。

四是大規(guī)模數(shù)據(jù)庫處理。數(shù)字孿生體本身是一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)庫，難以進(jìn)行輸入、完整性維持和數(shù)據(jù)處理。航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生體的幾何完整性和模型離散化需要建立并維持于數(shù)字孿生體的使用期內(nèi)，同時(shí)離散化的模型還需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的損傷和修復(fù)情況自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)、試驗(yàn)或?qū)嶋H運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是海量的，這些數(shù)據(jù)必須具備快速、精準(zhǔn)可追溯性，并使用友好的方式將預(yù)測(cè)信息呈現(xiàn)給用戶，以支撐設(shè)計(jì)者/決策者做出判斷。據(jù)悉，以現(xiàn)有的10MB/s的速度對(duì)一個(gè)1PB的數(shù)據(jù)庫中1%的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化時(shí)，需要35個(gè)工作日，無法滿足數(shù)字孿生的使用需求。

五是高性能計(jì)算能力。研究表明，一個(gè)飛機(jī)的數(shù)字孿生體具有1012個(gè)自由度，如果其中還包含一些多尺度的材料微觀模型，那么這些模型對(duì)應(yīng)位置將有107個(gè)自由度。因此實(shí)現(xiàn)基于仿真的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證需要高性能計(jì)算能力。航空發(fā)動(dòng)機(jī)具有比飛機(jī)更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和特性，航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生體需要比現(xiàn)在更加高速的計(jì)算性能，使得仿真過程能與物理發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過程同步進(jìn)行，換言之，如果數(shù)字孿生體的仿真不能在物理實(shí)體的實(shí)際運(yùn)行結(jié)束之前完成，那么數(shù)字孿生在壽命預(yù)測(cè)和決策指導(dǎo)方面的作用將得不到體現(xiàn)。

結(jié)束語

數(shù)字孿生技術(shù)是未來降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)周期和成本，實(shí)現(xiàn)智能化制造和服務(wù)的必然選擇。航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生體通過接收發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期各個(gè)階段的數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整自身模型，實(shí)時(shí)保持與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)高度一致，預(yù)測(cè)、監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況和壽命。此外，數(shù)字孿生體可作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)生命期內(nèi)數(shù)據(jù)的管理庫，應(yīng)用到同類型產(chǎn)品的下一個(gè)研發(fā)周期中，可大大提高研發(fā)速度，降低研發(fā)成本。隨著關(guān)鍵技術(shù)的不斷攻克，未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生體會(huì)作為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)保障的重要手段，使得發(fā)動(dòng)機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、制造和可靠性上升到全新的高度。