数字孪生驱动的航空发动机转子精密堆叠装配

doi:10.7527/S1000-6893.2024.29759

航空发动机数字孪生专栏

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数字孪生驱动的航空发动机转子精密堆叠装配

王泽生¹, 王辉²(), 张鹏飞², 杜立峰³, 包宏强³, 林东³

^1.清华大学机械工程系，北京 100084
^2.北京航空航天大学航空发动机研究院，北京 100191
^3.中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，沈阳 110043

收稿日期:2023-10-24 修回日期:2023-11-17 接受日期:2024-01-10 出版日期:2024-11-15 发布日期:2024-03-11
通讯作者: 王辉 E-mail:wanghuisx@buaa.edu.cn
基金资助:
国家科技重大专项(J2022-VII-0001-0043)

Precision stacking assembly of aero-engine rotor driven by digital twin

Zesheng WANG¹, Hui WANG²(), Pengfei ZHANG², Lifeng DU³, Hongqiang BAO³, Dong LIN³

^1.Department of Mechanical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China
^2.Research Institute of Aero-engine，Beihang University，Beijing 100191，China
^3.AECC Shenyang Liming Aero-Engine Co. ，Ltd. ，Shenyang 110043，China

Received:2023-10-24 Revised:2023-11-17 Accepted:2024-01-10 Online:2024-11-15 Published:2024-03-11
Contact: Hui WANG E-mail:wanghuisx@buaa.edu.cn
Supported by:
National Science and Technology Major Project of China(J2022-VII-0001-0043)

摘要/Abstract

摘要：

航空发动机极高的结构复杂度和高性能、高稳定性的严格要求对航空发动机制造技术提出了挑战。装配是控制航空发动机产品质量的关键制造环节，其中，转子作为航空发动机的核心动力部件，其装配精度和质量极大地影响着航空发动机的使用性能。转子由多级零件串联装配而成，装配过程中零件误差积累和传递、连接结构挤压变形等因素都容易导致装配偏差产生。针对航空发动机转子装配偏差问题，开展了数字孪生驱动的装配工艺优化方法研究。结合数字孪生方法展开装配工艺机理分析，从转子装配单元数字孪生总体技术框架、装配工艺数字化内核分析、装配工艺综合评价与决策方法三方面开展数字孪生装配优化技术研究，融合多物理因素分析模型建立装配工艺数字化分析模型，实现了数据驱动的转子装配过程监控和工艺优化分析。通过转子装配实验应用验证，所提出优化方法给出的优化装配结果与最大可能偏差相比降低了57.4%，证明所提出的数字孪生转子装配优化方法能够有效解决实际问题，为航空发动机转子装配质量预测和优化提供了新的途径。

关键词: 航空发动机, 转子装配, 数字孪生, 装配仿真, 数字化装配

Abstract:

The extremely high structural complexity of the aero-engine， together with its strict requirements of high performance and stability pose big challenges to aero-engine manufacturing technology. Assembly is a key procedure of aero-engine manufacturing that directly affects product quality， wherein rotor is the key power component of aero-engine， in that its assembly accuracy and quality have great influence on aero-engine performance. Rotor is assembled by multiple parts in series， and the assembly error can be arisen by such multiple factors as error accumulation and connection structure deformation. Aiming at the issue of aero-engine rotor assembly error， a data-driven assembly error optimization method is studied. The mechanism of assembly process is analyzed combining the digital twin technology. Research is carried on digital twin assembly optimization technology from three aspects， including the overall technical framework of rotor assembly unit digital twin， digital analysis model of assembly process， and comprehensive evaluation and decision methods of assembly process. A digital analysis model for assembly process is proposed integrating analysis models of multi physical factors. Then data-driven rotor assembly process monitoring and process optimization can be realized. Through application verification of rotor assembly， the proposed optimization method reduces the assembly error by 57.4% compared to the maximum possible error. The digital twin driven rotor assembly optimization method is then proved to be effective for practical problems， providing a new approach for solving the quality prediction and optimization problems of aero-engine rotor assembly.

Key words: aero-engine, rotor assembly, digital twin, assembly simulation, digital assembly

中图分类号:

V263.2

王泽生, 王辉, 张鹏飞, 杜立峰, 包宏强, 林东. 数字孪生驱动的航空发动机转子精密堆叠装配[J]. 航空学报, 2024, 45(21): 629759.

Zesheng WANG, Hui WANG, Pengfei ZHANG, Lifeng DU, Hongqiang BAO, Dong LIN. Precision stacking assembly of aero-engine rotor driven by digital twin[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(21): 629759.

图/表 17

图 1

图 2

图 3

图 4

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图 10

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图 12

图 13

表 1

图 14

表 2

图 15

参考文献 37

1	曾纯. 皇冠上的明珠［J］. 中国工业评论， 2016（11）： 2.
	ZENG C. Pearl on the crown［J］. China Industry Review， 2016（11）： 2 （in Chinese）.
2	范玉青，梅中义，陶剑. 大型飞机数字化制造工程［M］. 北京：航空工业出版社， 2011： 804.
	FAN Y Q， MEI Z Y， TAO J. Digital manufacturing engineering of large aircraft［M］. Beijing： Aviation Industry Press， 2011： 804 （in Chinese）.
3	EWINS D J. Control of vibration and resonance in aero engines and rotating machinery - an overview［J］. International Journal of Pressure Vessels & Piping， 2010， 87（9）： 504-510.
4	CANELIO J A， YIM H. Identification of dimensional variation patterns on compliant assemblies［J］. Journal of Manufacturing Systems， 2007， 25（2）： 65-76.
5	HUANG W， KONG Z. Simulation and integration of geometric and rigid body kinematics errors for assembly variation analysis［J］. Journal of Manufacturing Systems， 2008， 27（1）： 36-44.
6	刘永泉，王德友，洪杰，等. 航空发动机整机振动控制技术分析［J］. 航空发动机， 2013， 39（5）： 1-8， 13.
	LIU Y Q， WANG D Y， HONG J， et al. Analysis of whole aeroengine vibration control technology［J］. Aeroengine， 2013， 39（5）： 1-8， 13 （in Chinese）.
7	郑丽，罗泽明，付炎晶. 航空发动机整机振动研究综述［J］. 机械制造与自动化， 2016， 45（1）： 199-201.
	ZHENG L， LUO Z M， FU Y J. Research on whole-body vibration of aero-engine［J］. Machine Building & Automation， 2016， 45（1）： 199-201 （in Chinese）.
8	DESROCHERS A， RIVIÈRE A. A matrix approach to the representation of tolerance zones and clearances［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 1997， 13（9）： 630-636.
9	MUIEZINOVIC´ A， DAVIDSON J K， SHAH J J. A new mathematical model for geometric tolerances as applied to polygonal faces［J］. Journal of Mechanical Design， 2004， 126（3）： 504-518.
10	SCHLEICH B， WALTER M， WARTZACK S， et al. A comprehensive framework for skin model simulation［C］∥Proceedings of the ASME 2012 11th Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis. Volume 3： Advanced Composite Materials and Processing； Robotics； Information Management and PLM； Design Engineering. 2012： 567-576.
11	LAPERRIÈRE L， GHIE W， DESROCHERS A. Statistical and deterministic tolerance analysis and synthesis using a unified Jacobian-Torsor model［J］. CIRP Annals-Manufacturing Technology， 2002， 51（1）： 417-420.
12	YANG Z， HUSSIAN T， POPOV A A， et al. A comparison of different optimization techniques for variation propagation control in mechanical assembly［C］∥ IOP Conference Series： Materials Science and Engineering， Volume 26. 2011： 012017.
13	YANG Z， HUSSAIN T， POPOV A A， et al. Novel optimization technique for variation propagation control in an aero-engine assembly［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part B Journal of Engineering Manufacture， 2010， 225（1）： 100-111.
14	YANG Z， POPOV A A， MCWILLIAM S. Variation propagation control in mechanical assembly of cylindrical components［J］. Journal of Manufacturing Systems， 2012， 31（2）： 162-176.
15	YANG Z， MCWILLIAM S， POPOV A A， et al. A probabilistic approach to variation propagation control for straight build in mechanical assembly［J］. International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2013， 64（5-8）： 1029-1047.
16	单福平，李志敏，朱彬. 航空发动机典型转子件装配偏差建模及分析［J］. 制造业自动化， 2015， 37（7）： 100-103.
	SHAN F P， LI Z M， ZHU B. Modeling and analysis of assembling deviation of typical aeroengine rotor parts［J］. Manufacturing Automation， 2015， 37（7）： 100-103 （in Chinese）.
17	孟祥海，单福平. 航空发动机转子件装配质量预测［J］. 制造业自动化， 2016， 38（5）： 61-65.
	MENG X H， SHAN F P. Prediction of assembly quality of aeroengine rotor parts［J］. Manufacturing Automation， 2016， 38（5）： 61-65 （in Chinese）.
18	SUN C Z， WANG L， TAN J B， et al. Improvement of variation propagation control in mechanical assembly using adjustment assembly technique［J］. Applied Mechanics and Materials， 2017， 870： 459-464.
19	CHEN Y， CUI J， SUN X， et al. Research on multistage rotor assembly optimization methods for aeroengine based on the genetic algorithm［J］. Complexity， 2021， 2021： 1-14.
20	DING S， JIN S， LI Z， et al. Multistage rotational optimization using unified Jacobian-Torsor model in aero-engine assembly［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part B： Journal of Engineering Manufacture， 2019， 233（1）： 251-266.
21	DING S， ZHENG X， BAO J， et al. A comprehensive study of three-dimensional deviation analysis methods for aero-engine rotors assembly［C］∥IOP Conference Series Materials Science and Engineering， Volume 688. 2019： 033039.
22	DING S， HE Y， ZHENG X. A probabilistic approach for three-dimensional variation analysis in aero-engine rotors assembly［J］. International Journal of Aeronautical and Space Sciences， 2021， 22（5）： 1092-1105.
23	SUN C， HU M， LIU Y， et al. A method to control the amount of unbalance propagation in precise cylindrical components assembly［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part B： Journal of Engineering Manufacture. 2019， 233（13）： 2458-2468.
24	SUN Q， ZHAO B， LIU X， et al. Assembling deviation estimation based on the real mating status of assembly［J］. Computer-Aided Design， 2019， 115： 244-255.
25	WANG S， SUN Y， GUO J， et al. A prediction method for assembly surface contact considering form error［J］. Procedia CIRP， 2021， 97： 526-532.
26	LI T， WEN Z， ZHAO B， et al. A novel collaborative optimization assembly process method for multi-performance of aeroengine rotors［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2023， 125（3-4）： 1827-1843.
27	王乐，周军，崔艳林. 数字孪生在航空发动机领域的应用分析［J］. 航空动力， 2020（5）： 63-66.
	WANG L， ZHOU J， CUI Y L. Application of digital twin in aero engine［J］. Aerospace Power， 2020（5）： 63-66 （in Chinese）.
28	孟松鹤，叶雨玫，杨强，等. 数字孪生及其在航空航天中的应用［J］. 航空学报， 2020， 41（9）： 023615.
	MENG S H， YE Y M， YANG Q， et al. Digital twin and its aerospace applications［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（9）： 023615 （in Chinese）.
29	赵罡，李瑾岳，徐茂程，等. 航空发动机关键装配技术综述与展望［J］. 航空学报， 2022， 43（10）： 527484.
	ZHAO G， LI J Y， XU M C， et al. Research status and prospect of key aero-engine assembly technology［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（10）： 527484 （in Chinese）.
30	董雷霆，周轩，赵福斌，等. 飞机结构数字孪生关键建模仿真技术［J］. 航空学报， 2021， 42（3）： 023981.
	DONG L T， ZHOU X， ZHAO F B， et al. Key technologies for modeling and simulation of airframe digital twin［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2021， 42（3）： 023981 （in Chinese）.
31	郭丞皓，于劲松，宋悦，等. 基于数字孪生的飞机起落架健康管理技术［J］. 航空学报， 2023， 44（11）： 227629.
	GUO C H， YU J S， SONG Y， et al. Application of digital twin⁃based aircraft landing gear health management technology［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（11）： 227629 （in Chinese）.
32	陶飞，张贺，戚庆林，等. 数字孪生模型构建理论及应用［J］. 计算机集成制造系统， 2021， 27（1）： 1-15.
	TAO F， ZHANG H， QI Q L， et al. Theory of digital twin modeling and its application［J］. Computer Integrated Manufacturing Systems， 2021， 27（1）： 1-15 （in Chinese）.
33	ZHUANG C， LIU J， XIONG H. Digital twin-based smart production management and control framework for the complex product assembly shop-floor［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2018， 96（1-4）： 1149-1163.
34	DESROCHERS A， GHIE W， LAPERRIÈRE L. Application of a unified Jacobian-Torsor model for tolerance analysis［J］. Journal of Computing & Information Science in Engineering， 2003， 3（1）： 2-14.
35	CHEN H， JIN S， LI Z， et al. A solution of partial parallel connections for the unified Jacobian-Torsor model［J］. Mechanism and Machine Theory， 2015， 91： 39-49.
36	JOHNSON K L. 接触力学［M］. 徐秉业，等，译. 北京：高等教育出版社， 1992： 103.
	JOHNSON K L. Contact mechanics［M］. XU B Y， et al， translated. Beijing： Higher Education Press， 1992： 103 （in Chinese）.
37	GREENWOOD J A， WILLIAMSON J B. Contact of nominally flat surfaces［J］. Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and physical sciences， 1966， 295（1442）： 300-319.

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	幅值/μm	相位/（°）
高压压气机转子篦齿盘后安装边偏心量	8.1	14.73
高压压气机转子篦齿盘后安装边倾斜量	27.5	214.1
篦齿盘盘心偏心量	32.9	219.8
高压涡轮转子后轴颈后安装边偏心量	42.0	198.4

参数	幅值/μm	相位/（°）
相对误差/绝对误差	6.1%	30
转子总偏心量测量值	13.1	115
转子总偏心量预测值	13.9	85

[1]	姚斡维, 刘高文, 陈燕, 孔晓治, 林阿强. 高性能涡轮低位预旋供气系统正向设计[J]. 航空学报, 2025, 46(7): 130832-130832.
[2]	何雅玲, 姜涛, 杜燊, 徐国强. 飞行包线内空气换热器能力边界研究及进展[J]. 航空学报, 2025, 46(5): 531745-531745.
[3]	杨显赵, 刘高文, 郭令颖, 马佳乐, 林阿强. 高温降涡轮高位预旋供气系统设计[J]. 航空学报, 2025, 46(2): 130672-130672.
[4]	黄熠玮, 耿一斌, 高天贺, 胡轩玮, 王圆, 马红艳, 田阔. 数字孪生驱动的结构全场变形高精度反演方法[J]. 航空学报, 2025, 46(19): 530967-530967.
[5]	代定强, 周轩, 董雷霆, 孙侠生. 数字工程与数字孪生在航空疲劳与结构完整性领域的研究进展与展望[J]. 航空学报, 2025, 46(19): 531022-531022.
[6]	李尚宇, 冯杭, 陈俊全, 陈彬, 梅丹. 一种数字孪生的设计架构和概念建模方法[J]. 航空学报, 2025, 46(19): 531118-531118.
[7]	雷珺祺, 程月华, 姜斌, 徐骋, 徐贵力, 孙天宇. 面向舵回路故障的数字孪生建模及动态调整机制[J]. 航空学报, 2025, 46(19): 531273-531273.
[8]	陈亮, 黄蕾, 顾宇轩, 郭聪, 林可欣, 管宇, 宋健. 基于飞行参数的结构关键部位载荷孪生技术[J]. 航空学报, 2025, 46(19): 531292-531292.
[9]	顾宇轩, 郭聪, 黄蕾, 董一飞, 董宏达, 邓智伦. 数字孪生驱动的机群寿命精细化管理[J]. 航空学报, 2025, 46(19): 531290-531290.
[10]	张音旋, 张起, 许镇勇, 孟琳书. 基于残差神经网络的飞机力学响应预测方法[J]. 航空学报, 2025, 46(19): 531295-531295.
[11]	肖若瑶, 郑联语, 周健, 赵思如, 张洁茹, 陈育武. 面向筒段对接数字孪生的定位精度在线优化方法[J]. 航空学报, 2025, 46(19): 531978-531978.
[12]	胡家亮, 吴江鹏, 霍思旭, 高一地, 郑华. 基于颤振试飞数字孪生扫频数据重构的模态参数估计[J]. 航空学报, 2025, 46(19): 531602-531602.
[13]	王鹏飞, 曾丽芳, 邵雪明, 黎军. 基于预训练微调的机翼气动载荷多源数据融合建模方法[J]. 航空学报, 2025, 46(19): 532297-532297.
[14]	王逸飞, 曹戈勇, 曹阳, 王晓军. 飞行器数字强度孪生中的不确定性技术[J]. 航空学报, 2025, 46(19): 532408-532408.
[15]	陈亮, 孟凡星, 王成波, 张音旋, 孟琳书. 数字孪生技术在飞行器强度设计中的发展及应用[J]. 航空学报, 2025, 46(19): 532252-532252.

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