数字孪生驱动的航空发动机转子精密堆叠装配
收稿日期: 2023-10-24
修回日期: 2023-11-17
录用日期: 2024-01-10
网络出版日期: 2024-03-11
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
Received date: 2023-10-24
Revised date: 2023-11-17
Accepted date: 2024-01-10
Online published: 2024-03-11
Supported by
National Science and Technology Major Project of China(J2022-VII-0001-0043)
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。
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 -629759 . DOI: 10.7527/S1000-6893.2024.29759
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
| 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. |
/
| 〈 |
|
〉 |
CJA