CN110532625B - 航空发动机涡轮盘-转子-支承系统数字孪生建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航空发动机涡轮盘‑转子‑支承系统数字孪生建模方法，根据涡轮盘‑转子‑支承系统特征及其初始工况/环境参数以及涡轮盘/转轴/主轴承之间的物理作用关系建立航空发动机涡轮盘‑转子‑支承系统的数字孪生子模型；建立含有多个子模型的多物理场集成仿真平台，将子模型融合为统一物理模型；建立多物理场集成仿真平台和统一物理模型；将航空发动机轴承的工况/环境参数输入到统一物理模型中，仿真计算结果与经降噪特征提取处理后的实测信号进行对比分析，对统一物理模型进行优化，获得实时同步的航空发动机涡轮盘‑转子‑支承系统数字孪生模型；能够克服现有建模方法考虑因素过于单一，对运行工况实时改变考虑不足的缺点。
Description
技术领域
本发明属于机械诊断智能化与数字化技术领域，具体涉及航空发动机涡轮盘-转子-支承系统数字孪生建模方法。
背景技术
航空发动机是一种典型的高速旋转机械，是衡量一个国家科技水平、军事实力和综合国力的重要标准。涡轮盘-转子-支承系统由涡轮盘、转轴、主轴承等结构组成，是航空发动机中的核心部件，长期工作在高速、高温、高载的工况下，结构复杂，常发振动故障，但目前对航空发动机涡轮盘-转子-支承系统的故障机理尚不明确。所以，如何通过建立高保真的模型，从正问题的角度对故障机理进行解释，就成为了急于解决的问题。
目前航空发动机涡轮盘-转子-支承系统的建模方法大多从单一物理模型角度出发，通过考虑不同物理效应而进行。哈尔滨航空航天大学的路振勇针对六点支撑的航空发动机双转子系统，通过有限元方法建立了较为复杂的离散动力学模型，并对系统的基本动力学特性进行了分析(路振勇.航空发动机转子系统的动力学建模及非线性振动研究[D].哈尔滨工业大学,2017.)。数字孪生是一门新兴的具有实时同步、高保真特性的技术，通过高保真模型仿真数据与实测数据之间的信息交互融合，对虚拟模型进行不断更新，使得虚拟模型能够成为物理实体的准确实施映射。山东大学的胡天亮等人利用数字孪生技术的基本思想，针对数控机床提出了数字孪生建模方法，使得模型具有多领域统一建模，数学方程化，面向对象的特点，能更加真实的反应复杂机电系统的本质关系(胡天亮，骆伟超，陶飞等.一种数控机床数字孪生建模方法[P].中国专利：CN108107841A:2018-06-01)。
经文献调研可以发现，现有的航空发动机涡轮盘-转子-支承系统的建模方法大多通过考虑不同的物理效应从而对单一物理模型进行优化。在实际运行过程中，航空发动机涡轮盘-转子-支承系统工作在多物理场耦合条件下，同时经受高温、高速、高载的影响，只对单一物理模型进行考虑，不可避免的会产生不准确性。此外，航空发动机涡轮盘-转子-支承系统的工作状态(转速，温度，载荷)会随飞行速度，高度，姿态的变化而不断变化，此时需要模型具有实时追踪轴承工况变化的能力，才能保证模型预测结果的正确性。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明公开航空发动机涡轮盘-转子-支承系统数字孪生建模方法，集成航空发动机涡轮盘-转子-支承系统多个物理模型，而且能实时追踪涡轮盘-转子-支承系统的工况，从而获得较为准确的仿真计算结果。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，航空发动机涡轮盘-转子-支承系统数字孪生建模方法，包括以下步骤：
S1，获取航空发动机涡轮盘-转子-支承系统的特征及其初始工况/环境参数；
S2，根据S1得到的特征、初始工况/环境参数以及涡轮盘/转轴/主轴承之间的物理作用关系建立航空发动机涡轮盘-转子-支承系统的数字孪生子模型；
S3，对S2所得不同数字孪生子模型之间的协调关系和接口配合进行考虑，建立含有多个子模型的多物理场集成仿真平台，将子模型融合为统一物理模型；
S4，对航空发动机涡轮盘-转子-支承系统在实际运行过程中转轴处的振动信号和工况/环境参数进行监测；
S5，将S4所得的工况/环境参数输入到S3所得的统一物理模型中；然后用所述统一物理模型仿真计算涡轮盘-转子-支承系统中转轴的实时振动信号；
S6，对S4所得振动信号进行降噪处理，得到低噪声的实时振动信号；
S7，将S5所得仿真计算结果与经过S6降噪所得实测结果进行对比，计算二者的偏差；
S8，根据S7中计算出的偏差，对S3所述统一物理模型的内部参数进行调整和修正，从而获得能够实时同步的航空发动机涡轮盘-转子-支承系统数字孪生模型。
S1航空发动机涡轮盘-转子-支承系统的特征包括涡轮盘-转子-支承系统中涡轮盘、转轴和主轴承的几何结构参数及所用材料特性。
S1中所述的工况和环境参数为传感器实测得到。
S1和S4中所述工况/环境参数包括涡轮盘、转轴、主轴承的转速、温度以及载荷。
S2中所述物理作用关系至少包括航空发动机主轴承中滚动体/保持架/滚道间的接触力和力矩、热与力的耦合作用关系以及作用力与应变的关系、涡轮盘-转子-支撑系统中涡轮盘/转轴/主轴承之间的接触力和力矩、热与力的耦合作用关系以及作用力与应变的关系；所述数字孪生子模型，包括但不限于结构动力学模型、热力耦合模型、应力分析模型以及损伤演化模型。
S2中所述的数字孪生子模型，至少包括结构动力学模型、热力耦合模型、应力分析模型和损伤演化模型。
S3中可以采用但不限于采用Isight软件建立含有多个子模型的多物理场集成仿真平台。
S3中所述的统一物理模型建立方法，采用如下方法：
利用Isight软件，调用Ansys或Abaqus建立涡轮盘-转子-支承系统的热力耦合模型和应力分析模型，计算航空发动机涡轮盘-转子-支承系统的应力场分布，将计算出的应力场分布结果带入镶嵌有损伤演化模型的结构动力学模型中并进行求解，最终仿真计算航空发动机转轴的振动信号。
S4中所述振动信号为通过传感器测得，可以为转轴的振动位移、速度以及加速度响应。
S8中，所述内部参数包括涡轮盘-转子-支承系统的工况/环境参数和模型参数；所述参数的调整更新方法，采用但不限于采用扩展卡尔曼滤波算法。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
数字孪生是一门的具有实时同步、忠实映射、高保真特点的新兴技术，目前对于数字孪生技术的大多数研究尚处于概念设计阶段，对数字孪生技术实际落地应用的探索相对较少。通过本发明提出的航空发动机涡轮盘-转子-支承系统数字孪生建模方法，不仅能够为航空发动机涡轮盘-转子-支承系统的建模研究开阔思路，更能为数字孪生技术的实地应用开辟一条道路；
本发明基于多个数字孪生子模型建立轴承统一物理模型；通过建立涡轮盘-转子-支承系统的统一物理模型，能够将轴承内部不同部件之间的相互作用力、力矩，热-力耦合效应等因素及涡轮盘/转子/主轴承之间相互作用力、力矩，热-力耦合效应等因素考虑进来，从而获得较为准确的仿真计算结果；
利用所述统一物理模型的仿真信号和经降噪的实测涡轮盘-转子-支承系统振动信号进行对比，并利用对比结果对统一物理模型的内部参数进行调整和修正；由于在飞行过程中，飞机的飞行速度、高速、姿态等均会不断发生变化，航空发动机涡轮盘-转子-支承系统的运转速度、温度、载荷等也会随之不断变化，所以通过所述的对比-修正过程能够对涡轮盘-转子-支承系统的工况变化进行实时的跟踪，从而提高仿真计算结果的准确性；
对于航空发动机涡轮盘-转子-支承系统的故障诊断问题，最根本的就是故障机理分析，通过本发明所述方法，能够建立准确、实时的涡轮盘-转子-支承系统数字孪生模型，并能够为从正问题的角度进行故障机理分析和从反问题的角度进行故障诊断研究打下良好的基础。
附图说明
图1是本发明流程图；
图2是航空发动机涡轮盘-转子-支承系统统一物理模型示意图；
图3是航空发动机涡轮盘-转子-支承系统数字孪生建模方法技术路线图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细阐述。
现有的航空发动机涡轮盘-转子-支承系统建模方法基本基于对单一物理模型的优化，但航空发动机涡轮盘-转子-支承系统长期工作于多物理场耦合的复杂工况下，此时单一物理模型的计算结果必不可免的会产生不准确性。此外，现有的航空发动机涡轮盘-转子-支承系统模型对涡轮盘-转子-支承系统工作状态的实时改变考虑不足，由于飞行过程中，飞行速度，高度和姿态均会不断发生变化，所以航空发动机涡轮盘-转子-支承系统的工作转速、温度和载荷也会随之不断变化。采用恒定的模型对工况实时改变的航空发动机涡轮盘-转子-支承系统进行仿真计算，同样会产生计算结果的不准确性。针对现有建模方法的上述两个缺点，提出航空发动机涡轮盘-转子-支承系统数字孪生建模方法，实现物理空间与虚拟空间的准确实时映射。
如图2和图3所示，本发明提出的航空发动机涡轮盘-转子-支承系统数字孪生建模方法，包括以下步骤：
S1，获取航空发动机涡轮盘-转子-支承系统的特征及其初始工况/环境参数；所述特征包括涡轮盘、转轴、主轴承的几何结构参数及所用材料特性；所述几何结构参数可以从该涡轮盘、转轴、主轴承的图纸文件中获取；所述材料特性至少包括航空发动机涡轮盘、转轴、主轴承所用材料的牌号和力学性能；所述工况/环境参数至少包括航空发动机涡轮盘、转轴、主轴承的工作转速、温度、载荷；
S2，依据S1中得到的特征，初始工况/环境参数以及涡轮盘/转轴/主轴承之间的物理作用关系，建立航空发动机涡轮盘-转子-支承系统的数字孪生子模型；所述物理作用关系至少包括航空发动机主轴承中滚动体/保持架/滚道间的接触力和力矩、热与力的耦合作用关系以及作用力与应变的关系、涡轮盘-转子-支撑系统中涡轮盘/转轴/主轴承之间的接触力和力矩、热与力的耦合作用关系以及作用力与应变的关系；所述数字孪生子模型，包括但不限于结构动力学模型、热力耦合模型、应力分析模型以及损伤演化模型；所述结构动力学模型可以利用集总参数法或有限元法建立；所述热力耦合模型和应力分析模型可以通过Ansys或Abaqus建立；所述损伤演化模型可以利用已有实验数据拟合建立，也可以根据不同损伤类型的真实物理作用力/力矩建立；
S3，对S2所得不同数字孪生子模型之间的协调关系和接口配合进行考虑，利用软件建立含有多个子模型的多物理场集成仿真平台，将子模型融合为统一物理模型；所述协调关系和接口配合指的是，建立不同数字孪生子模型时会用到不同的软件和不同的语言，从而产生不同的数据类型，在进行子模型的融合时，应使不同的数据类型之间达到协调，能够互相转换；将子模型融合为统一物理模型的过程可以采用但不限于采用如下方法：利用Isight软件，调用Ansys或Abaqus建立涡轮盘-转子-支承系统的热力耦合模型和应力分析模型，计算航空发动机涡轮盘-转子-支承系统的应力场分布，将计算出的应力场分布结果带入镶嵌有损伤演化模型的结构动力学模型中并进行求解，最终仿真计算航空发动机转轴的振动信号
S4，对航空发动机涡轮盘、转轴、主轴承在实际运行过程中的振动信号和工况/环境参数进行监测；所述振动信号为通过传感器测得，可以为转轴的振动位移、速度以及加速度响应；所述工况/环境参数至少包括航空发动机涡轮盘、转轴、主轴承的工作转速、温度、载荷；
S5，将S4所得工况/环境参数实时输入到统一物理模型之中，然后利用所述统一物理模型对涡轮盘-转子-支承系统中转轴的振动信号进行仿真计算；
S6，对S4所得的实测振动信号进行降噪处理，得到低噪声的振动信号；
S7，将S5所得统一物理模型的仿真计算结果与S6中经过降噪处理的实测结果进行对比，计算二者的偏差；
S8，根据S7中计算出的偏差值，对S3所述统一物理模型的内部参数进行调整和修正，从而获得具有实时同步和忠实映射的航空发动机涡轮盘-转子-支承系统数字孪生模型；所述内部参数至少包括涡轮盘-转子-支承系统的工况/环境参数和模型参数；所述调整和修正方法，可以但不限于采用扩展卡尔曼滤波方法进行。
Claims (10)
1.航空发动机涡轮盘-转子-支承系统数字孪生建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，获取航空发动机涡轮盘-转子-支承系统的特征及其初始工况/环境参数；
S2，根据S1得到的特征、初始工况和环境参数以及涡轮盘/转轴/主轴承之间的物理作用关系建立航空发动机涡轮盘-转子-支承系统的数字孪生子模型；
S3，对S2所得不同数字孪生子模型之间的协调关系和接口配合进行考虑，建立含有多个子模型的多物理场集成仿真平台，将子模型融合为统一物理模型；
S4，监测航空发动机涡轮盘-转子-支承系统在实际运行过程中转轴的振动信号和工况/环境参数；
S5，将S4所得的工况/环境参数输入到S3所得的统一物理模型中；然后用所述统一物理模型仿真计算涡轮盘-转子-支承系统中转轴的实时振动信号；
S6，对S4所得振动信号进行降噪处理，得到低噪声的实时振动信号；
S7，将S5所得仿真计算结果与经过S6降噪所得结果进行对比，计算二者的偏差；
S8，根据S7中计算出的偏差，对S3所述统一物理模型的内部参数进行调整和修正，从而获得能够实时同步的航空发动机涡轮盘-转子-支承系统数字孪生模型。
2.根据权利要求1所述的航空发动机涡轮盘-转子-支承系统数字孪生建模方法，其特征在于，S1航空发动机涡轮盘-转子-支承系统的特征包括涡轮盘、转轴、主轴承的几何结构参数及所用材料特性。
3.根据权利要求1所述的航空发动机涡轮盘-转子-支承系统数字孪生建模方法，其特征在于，S1中所述的工况和环境参数为传感器实测得到。
4.根据权利要求1所述的航空发动机涡轮盘-转子-支承系统数字孪生建模方法，其特征在于，S1和S4中所述工况/环境参数包括涡轮盘、转轴、主轴承的工作转速、温度以及载荷。
5.根据权利要求1所述的航空发动机涡轮盘-转子-支承系统数字孪生建模方法，其特征在于，S2中所述物理作用关系包括航空发动机主轴承中滚动体/保持架/滚道间的接触力和力矩、热与力的耦合作用关系以及作用力与应变的关系
和
涡轮盘-转子-支撑系统中涡轮盘/转轴/主轴承之间的接触力和力矩、热与力的耦合作用关系以及作用力与应变的关系；
所述数字孪生子模型，包括结构动力学模型、热力耦合模型、应力分析模型以及损伤演化模型。
6.根据权利要求1所述的航空发动机涡轮盘-转子-支承系统数字孪生建模方法，其特征在于，S2中所述的数字孪生子模型，包括结构动力学模型、热力耦合模型、应力分析模型和损伤演化模型。
7.根据权利要求1所述的航空发动机涡轮盘-转子-支承系统数字孪生建模方法，其特征在于，S3中采用Isight软件建立含有多个子模型的多物理场集成仿真平台。
8.根据权利要求7所述的航空发动机涡轮盘-转子-支承系统数字孪生建模方法，其特征在于，S3中所述的统一物理模型建立方法，采用如下方法：
利用Isight软件，调用Ansys或Abaqus建立涡轮盘-转子-支承系统的热力耦合模型和应力分析模型，计算航空发动机涡轮盘-转子-支承系统的应力场分布，将计算出的应力场分布结果带入镶嵌有损伤演化模型的结构动力学模型中并进行求解，最终仿真计算航空发动机转轴的振动信号。
9.根据权利要求1所述的航空发动机涡轮盘-转子-支承系统数字孪生建模方法，其特征在于，S4中所述振动信号为通过传感器测得，振动信号为转轴的振动位移、速度以及加速度响应。
10.根据权利要求1所述的航空发动机涡轮盘-转子-支承系统数字孪生建模方法，其特征在于，S8中，所述内部参数包括涡轮盘-转子-支承系统的工况/环境参数和模型参数；所述参数的调整更新方法，采用扩展卡尔曼滤波算法。
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