數(shù)字孿生在航空發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性領(lǐng)域的應(yīng)用探索

■ 劉魁 劉婷 /中國航發(fā)研究院 魏杰 鄭新前/清華大學(xué)

數(shù)字孿生（Digital Twin）已成為未來裝備研制的重要發(fā)展趨勢(shì)，將數(shù)字孿生概念與航空發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性相結(jié)合，探索可靠性數(shù)字孿生在航空發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期的潛在應(yīng)用，將為數(shù)字孿生的物理實(shí)現(xiàn)打下良好的基礎(chǔ)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性是指發(fā)動(dòng)機(jī)在規(guī)定的飛行包線、環(huán)境和使用條件下，在規(guī)定的生命周期內(nèi)完成規(guī)定功能的能力?？梢哉f，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性表征了發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)維持高性能運(yùn)轉(zhuǎn)的能力，是一項(xiàng)綜合性系統(tǒng)工程，貫穿于發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、使用、維修及管理等各個(gè)環(huán)節(jié)。雖然航空發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的研究已有長足進(jìn)步，但仍然存在不足之處。作為大量先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)的有機(jī)集成，數(shù)字孿生具有高保真建模與仿真、虛實(shí)映射、全生命周期數(shù)據(jù)有效管理等典型特征，與航空發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性存在的問題具有高度適應(yīng)性。

數(shù)字孿生概念的提出

數(shù)字孿生的概念是由美國密歇根大學(xué)邁克爾·格里夫斯（Michael Grieves）教授與美國國家航空航天局（NASA）專家約翰·維克斯（John Vickers）共同提出的，并于2003年在格里夫斯教授的產(chǎn)品生命周期管理（PLM）課程上被首次引入。之后，NASA 和美國空軍聯(lián)合開展了面向未來飛行器的數(shù)字孿生示范，并將數(shù)字孿生定義為一個(gè)集成了多物理場(chǎng)、多尺度、概率性的仿真過程，基于飛行器的可用高保真物理模型、歷史數(shù)據(jù)以及傳感器實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)，構(gòu)建完整映射的虛擬模型，以刻畫和反映物理系統(tǒng)的全生命周期，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器健康狀態(tài)、剩余使用壽命以及任務(wù)可達(dá)性的預(yù)測(cè)。同時(shí)，可預(yù)測(cè)系統(tǒng)對(duì)危及安全事件的響應(yīng)，通過比較預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)響應(yīng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)未知問題，進(jìn)而激活自修復(fù)機(jī)制或任務(wù)重規(guī)劃，以減緩系統(tǒng)損傷和退化。

圖1 洛馬公司數(shù)字孿生示意圖

數(shù)字孿生應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

在數(shù)字孿生概念提出的隨后15年里，與其理論和應(yīng)用相關(guān)的研究層出不窮，使得數(shù)字孿生的概念不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展。

在理論方面，陶飛等從物理融合、模型融合、數(shù)據(jù)融合和服務(wù)融合4個(gè)維度，充分分析了實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生車間信息物理融合的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)，提出了數(shù)字孿生的通用五維模型，總結(jié)了數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的6條應(yīng)用準(zhǔn)則；巴森（Basson）等提出了能夠?yàn)槲锢怼摂M世界之間數(shù)據(jù)/信息交互賦能的6層架構(gòu)；此外，對(duì)于數(shù)字孿生建模的框架與流程、高保真/高精度建模、不確定性量化、無損檢測(cè)技術(shù)、人機(jī)交互等方面也開展了相應(yīng)的研究工作。

在應(yīng)用方面，GE公司和羅羅公司均在采用數(shù)字孿生進(jìn)行預(yù)測(cè)性維修服務(wù)，采集飛行過程中的大量飛行數(shù)據(jù)、環(huán)境和其他數(shù)據(jù)建立分析模型，以判斷磨損情況和預(yù)測(cè)合理的維修時(shí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)故障前預(yù)測(cè)和監(jiān)控；洛克希德-馬丁（洛馬）公司構(gòu)建了面向軍用戰(zhàn)斗機(jī)制造和裝配的數(shù)字孿生（見圖1），提高了裝備可靠性。近年來，人們對(duì)數(shù)字孿生在遠(yuǎn)程監(jiān)控、性能預(yù)測(cè)、決策支持、差異化定制等方面開展了進(jìn)一步的研究，旨在通過數(shù)字孿生創(chuàng)建新的服務(wù)模式，進(jìn)而創(chuàng)造新的價(jià)值機(jī)遇。

圖2 數(shù)字孿生虛實(shí)映射模型

可靠性數(shù)字孿生應(yīng)用構(gòu)想

可靠性數(shù)字孿生虛實(shí)映射機(jī)制

筆者在航空發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期的數(shù)字孿生應(yīng)用框架的基礎(chǔ)上，提出了可靠性數(shù)字孿生的虛實(shí)映射模型（見圖2），來表征可靠性數(shù)字孿生的映射機(jī)制。

在可靠性理論中，認(rèn)為產(chǎn)品失效（即喪失規(guī)定功能的現(xiàn)象）是由外部環(huán)境、工作條件以及產(chǎn)品內(nèi)部的失效機(jī)理共同作用的結(jié)果。換言之，要實(shí)現(xiàn)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的精確預(yù)測(cè)，需要同時(shí)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)本體和環(huán)境因素的影響。因此模型中的可靠性數(shù)字孿生對(duì)象包含實(shí)體和環(huán)境兩部分。

在將虛實(shí)映射模型應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期可靠性領(lǐng)域時(shí)，考慮到設(shè)計(jì)階段沒有發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體和實(shí)際運(yùn)行環(huán)境存在，因此將物理—虛擬之間映射關(guān)系的建立分為設(shè)計(jì)階段和制造/試驗(yàn)/運(yùn)行/回收階段，且兩個(gè)階段的虛實(shí)映射機(jī)制都包含4個(gè)環(huán)節(jié)——建模、描述、診斷和預(yù)測(cè)。其中，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，是先實(shí)現(xiàn)對(duì)物理空間的精準(zhǔn)描述，在此基礎(chǔ)上診斷可能出現(xiàn)的狀況，進(jìn)而預(yù)測(cè)未來發(fā)展趨勢(shì)。由于生命周期不同階段具有不同的特點(diǎn)，因此建模、描述、診斷和預(yù)測(cè)這4個(gè)環(huán)節(jié)的具體含義和作用也有很大區(qū)別，詳述如下。

第一階段：在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中，因?yàn)槲锢砜臻g沒有發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體和環(huán)境存在，所以在由實(shí)向虛的映射過程中，從物理空間提取的是一系列設(shè)計(jì)需求，根據(jù)需求可以構(gòu)建相對(duì)應(yīng)的幾何模型與物理機(jī)理模型，同時(shí)基于歷史數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型，通過模型融合初步形成航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體的可靠性數(shù)字孿生體與環(huán)境數(shù)字孿生體，在兩者的耦合作用下，可實(shí)現(xiàn)由虛向?qū)嵉挠成?，即在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行前描述其可能的運(yùn)行狀態(tài)（總體性能、氣動(dòng)性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等），診斷可能發(fā)生的故障以及故障產(chǎn)生的機(jī)理，并預(yù)測(cè)使用的可靠性，作為優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與制造工藝的參考，從而加速發(fā)動(dòng)機(jī)的研制進(jìn)程。

第二階段：在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)/試驗(yàn)/運(yùn)行/回收過程中，由于有物理發(fā)動(dòng)機(jī)和物理環(huán)境存在，因此由實(shí)向虛的映射是通過采集發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)（溫度、壓力、應(yīng)力、變形、振動(dòng)等內(nèi)部運(yùn)行數(shù)據(jù)、任務(wù)數(shù)據(jù)、維修保障數(shù)據(jù)等）和外部環(huán)境數(shù)據(jù)（環(huán)境溫度、濕度、壓力、雜質(zhì)等），不斷修正發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性數(shù)字孿生和環(huán)境數(shù)字孿生模型，提高數(shù)字孿生的模型精度。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)由虛向?qū)嵉挠成洌锤弑Ｕ娴孛枋霭l(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)與物理發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)對(duì)應(yīng)，提前診斷發(fā)動(dòng)機(jī)可能出現(xiàn)的故障及原因，評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性并給出解決方案，實(shí)現(xiàn)定制化的維修和保障，優(yōu)化使用、維護(hù)與運(yùn)營過程，同時(shí)也可為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與制造工藝的優(yōu)化提供支撐。不同階段可靠性數(shù)字孿生展現(xiàn)形式，如圖3所示。

可靠性數(shù)字孿生的組成及功能

圖3 不同階段可靠性數(shù)字孿生展現(xiàn)形式

可靠性數(shù)字孿生可以認(rèn)為是伴隨著設(shè)計(jì)過程的進(jìn)行而逐漸形成的，隨著設(shè)計(jì)的深入，其組成與功能也在不斷豐富。當(dāng)實(shí)際設(shè)計(jì)過程完成時(shí)，所構(gòu)建的可靠性數(shù)字孿生應(yīng)包含4層（見圖4）：第一層是包括尺寸和公差等信息在內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)完整幾何結(jié)構(gòu)；第二層是在幾何的基礎(chǔ)上增加了每個(gè)零部件的材料特性（微觀-介觀-宏觀尺度下的完整材料數(shù)據(jù)）；第三層是從零部件、系統(tǒng)到整機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)估；第四層是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)故障的診斷及可靠性預(yù)測(cè)。在制造、試驗(yàn)和運(yùn)行階段，其可靠性數(shù)字孿生將是在前序階段的基礎(chǔ)上，通過增加每一層中相應(yīng)的物理/數(shù)據(jù)模型構(gòu)建而成。此外，上述階段都有物理的發(fā)動(dòng)機(jī)或其零部件存在，根據(jù)前面所建立的虛實(shí)映射機(jī)制，通過將實(shí)際制造、試驗(yàn)和運(yùn)行過程中采集的數(shù)據(jù)通過邊緣計(jì)算反饋到數(shù)字孿生體中，可以不斷修正每一層中的模型，提高可靠性數(shù)字孿生的預(yù)測(cè)精度；與此同時(shí)，通過邊緣控制、智能機(jī)器人輔助等技術(shù)，也能夠?qū)?shù)字孿生的決策判斷反饋到實(shí)際運(yùn)行過程中，提高發(fā)動(dòng)機(jī)制造、試驗(yàn)、運(yùn)行過程的智能化水平。

可靠性數(shù)字孿生在發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期的應(yīng)用

設(shè)計(jì)階段

設(shè)計(jì)階段沒有涉及物理發(fā)動(dòng)機(jī)和物理環(huán)境，此時(shí)可以認(rèn)為物理孿生是設(shè)計(jì)者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性期望，可以根據(jù)可靠性的總體設(shè)計(jì)需求，如平均故障間隔時(shí)間（MTBF）、平均維修間隔時(shí)間（MTTR）、可靠度（R）等，通過可靠性建模將可靠性指標(biāo)逐層分解，量化為一系列需求條目；數(shù)字孿生體是基于幾何模型和不同維度仿真模型，利用矩方法、隨機(jī)抽樣法、響應(yīng)面法等構(gòu)建的可靠性預(yù)測(cè)模型，隨著設(shè)計(jì)過程的進(jìn)行不斷擴(kuò)展其維度和復(fù)雜程度，基于歷史數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)公式給定故障影響因素，通過仿真研究故障或薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生的機(jī)理，預(yù)測(cè)和預(yù)防各種可能發(fā)生的故障和隱患，評(píng)估和驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。

制造階段

圖4 航空發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性數(shù)字孿生應(yīng)用場(chǎng)景構(gòu)想

制造階段的物理孿生包括發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)、零部件等產(chǎn)品對(duì)象和生產(chǎn)環(huán)境。因此，在可靠性數(shù)字孿生中將在設(shè)計(jì)階段數(shù)字孿生的基礎(chǔ)上增加生產(chǎn)環(huán)境的模型、對(duì)工藝的仿真模型和基于海量生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析模型?；谏鲜瞿Ｐ停趯?shí)際加工生產(chǎn)之前能夠預(yù)測(cè)生產(chǎn)環(huán)境下零件加工完成后的殘余應(yīng)力、組織、成分和超差等，在此基礎(chǔ)上利用可靠性模型評(píng)估實(shí)際生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)環(huán)境對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的影響，進(jìn)行質(zhì)量控制。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，一方面通過采集生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)（例如環(huán)境溫度、濕度、壓力、氣體組分等）、工藝數(shù)據(jù)（電壓、電流、載荷、氣體流量等）、實(shí)時(shí)（振動(dòng)、噪聲等）/非實(shí)時(shí)（材料微觀組織結(jié)構(gòu)、缺陷、宏觀性能等）響應(yīng)數(shù)據(jù)，修正幾何、物理與分析模型，從而提高可靠性的預(yù)測(cè)精度；另一方面，利用數(shù)字孿生可進(jìn)行決策支持，并通過邊緣控制等技術(shù)，自主調(diào)控生產(chǎn)工藝，優(yōu)化生產(chǎn)過程。值得一提的是，在制造階段完成后，可靠性數(shù)字孿生將具有個(gè)體差異性，即每一臺(tái)批產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)都有一個(gè)可靠性數(shù)字孿生體與其對(duì)應(yīng)，包含其設(shè)計(jì)、制造工藝歷史，以及從宏觀到微觀、從低維到高維的發(fā)動(dòng)機(jī)全信息。

試驗(yàn)階段

試驗(yàn)階段的物理孿生包含試驗(yàn)對(duì)象（整機(jī)、零部件）和試驗(yàn)環(huán)境，數(shù)字孿生是虛擬試驗(yàn)對(duì)象與環(huán)境，在設(shè)計(jì)/制造階段孿生體的基礎(chǔ)上擴(kuò)充了試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)環(huán)境等模型，以及基于海量歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建的分析模型等。在實(shí)際試驗(yàn)之前，一方面通過數(shù)字孿生可以進(jìn)行試驗(yàn)方案的評(píng)估與優(yōu)化，縮短試驗(yàn)臺(tái)的建設(shè)周期、降低建設(shè)經(jīng)費(fèi)；另一方面，可以進(jìn)行大量的虛擬地面試驗(yàn)和高空試驗(yàn)，預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、可能出現(xiàn)的故障，評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，如平均故障間隔時(shí)間、平均維修間隔時(shí)間、可靠度等，為設(shè)計(jì)與制造工藝的優(yōu)化提供有價(jià)值的信息。在實(shí)際試驗(yàn)過程中，通過將采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生的預(yù)測(cè)結(jié)果比較，修正發(fā)動(dòng)機(jī)模型、環(huán)境模型和設(shè)備模型等仿真模型，不斷提高可靠性數(shù)字孿生的預(yù)測(cè)精度；在此基礎(chǔ)上，基于數(shù)字孿生的高精度預(yù)測(cè)功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的快速排故，同時(shí)通過邊緣控制等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的遠(yuǎn)程控制和試驗(yàn)參數(shù)的遠(yuǎn)程預(yù)警。

運(yùn)維階段

運(yùn)維階段的物理孿生包含發(fā)動(dòng)機(jī)本體和其運(yùn)行環(huán)境，數(shù)字孿生是虛擬發(fā)動(dòng)機(jī)與環(huán)境，基于制造/試驗(yàn)階段的數(shù)字孿生，增加了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程和實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的預(yù)測(cè)模型（包含物理模型和分析模型）。每一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)交付時(shí)，都將有一個(gè)虛擬的孿生體同時(shí)交付給用戶，在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)投入使用的同時(shí)，其數(shù)字孿生也相應(yīng)地在虛擬空間運(yùn)行，使得制造商能夠持續(xù)跟蹤發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況，通過收集實(shí)時(shí)和離線采集的數(shù)據(jù)（運(yùn)行數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)等），反饋到孿生發(fā)動(dòng)機(jī)和孿生環(huán)境中來修正模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的高保真模擬、故障的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和可靠性的實(shí)時(shí)評(píng)估。利用云計(jì)算、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）/虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）等先進(jìn)的數(shù)字化手段，用戶、工業(yè)部門、領(lǐng)域?qū)＜业犬惖厝藛T能夠圍繞上述數(shù)字孿生開展協(xié)同工作：一方面可以為用戶提供延伸的服務(wù)，包括簽派放行、故障溯源、視情維修、備件管理等，為降低運(yùn)行成本提供可能，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性具有重要意義；另一方面也能確定可靠性改進(jìn)范圍，支持工業(yè)部門進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造工藝的改進(jìn)。

回收階段

回收階段實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)報(bào)廢消失，但其可靠性數(shù)字孿生記錄了該臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)從設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)到使用全生命周期的數(shù)據(jù)，可作為虛擬資產(chǎn)被反復(fù)使用。例如，在設(shè)計(jì)階段通過調(diào)整同種類型數(shù)字孿生的部分設(shè)計(jì)參數(shù)，快速進(jìn)行新機(jī)的改進(jìn)改型與可靠性評(píng)估迭代，形成閉環(huán)，大大加速發(fā)動(dòng)機(jī)的研制周期、降低研制成本。

結(jié)束語

航空發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性數(shù)字孿生自設(shè)計(jì)階段誕生，并隨著物理發(fā)動(dòng)機(jī)的制造、試驗(yàn)和使用維護(hù)等過程的進(jìn)行而不斷自我豐富、自我修正。從生產(chǎn)力層面，可靠性數(shù)字孿生的虛實(shí)交互、模型自我修正和高保真仿真等功能支持狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、可靠性設(shè)計(jì)、加工工藝控制、故障模式分析預(yù)測(cè)以及可靠性評(píng)估，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、制造和使用的可靠性。從生產(chǎn)關(guān)系層面，利用可靠性數(shù)字孿生可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)生命周期各個(gè)階段之間的數(shù)據(jù)無障礙流轉(zhuǎn)，保證數(shù)據(jù)的同源，進(jìn)而支持設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、生產(chǎn)協(xié)同，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)效率和質(zhì)量?？梢灶A(yù)見，隨著數(shù)字化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和關(guān)鍵技術(shù)的不斷攻克，未來可靠性數(shù)字孿生必將在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域發(fā)揮舉足輕重的作用。