航空发动机数字孪生工程：内涵与关键技术

陶飞, 孙清超, 孙惠斌, 穆晓凯, 张贺, 宋鲁凯, 朱剑琴, 陶智

Aero-engine digital twin engineering: Connotation and key technologies

Fei TAO, Qingchao SUN, Huibin SUN, Xiaokai MU, He ZHANG, Lukai SONG, Jianqin ZHU, Zhi TAO

表1 基于数字孪生的航空发动机设计研究现状

Table 1 State-of-the-art of digital twin-based aero-engine design

方法或系统 技术特征或优缺点 文献 数字孪生驱动的产品设计及再设计方法 集成设计、制造、运维等全生命周期各阶段数据和经验，为原型迭代设计及再设计优化、设计方案评估和虚拟验证等提供数字孪生模型及数据，以优化产品设计过程 ［15-16］ 航空发动机数字工程及“五协同”正向闭环研制方法 提出航空发动机数字工程概念，通过整合全生命周期内各阶段数据与模型，达到研制过程中多学科协同、局部整体协同、设计制造协同、虚实试验协同、多主体协同的“五协同”正向闭环研制模式 ［1］ 航空发动机总体设计数字表征及优化设计方法 对航空发动机系统的大小、外形、重量等参数进行虚拟仿真和优化。数值仿真和逆向设计为主要技术途径，但尚未建立设计参数与系统性能的有机联系 ［22-23，29］ 航空发动机气动设计数字表征及优化设计方法 基于数字孪生模型优化风扇、压气机、涡轮等零部件的气动性能，以满足航空发动机各部件系统的气动设计要求 ［25，29，32-33］ 航空发动机热力设计数字孪生模型构建方法 融合大数据和有限元分析等技术建立热力学数字孪生模型，跟踪燃烧结果和排放的实时测量值，以满足燃烧室热力学性能和排放合规性等设计要求 ［30，34］ 航空发动机可靠性设计虚实映射模型构建方法 建立可靠性数字孪生的虚实映射模型，预测和预防各种潜在故障和隐患，提高发动机的可靠性。但当前可靠性试验数据积累不够，仿真精度和置信度仍有待进一步提升 ［24，31］ 数字孪生工业平台Predix&虚拟引擎平台GTlab 基于数字主线整合所有发动机仿真过程中产生的数据、文件，形成统一的数字管理平台 ［26，29］ 基于VR的设计环境 沉浸式/交互式设计平台 ［32-33］