CN112528509A - 一种飞机机电系统快速设计验证系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于飞机设计技术领域，公开了一种飞机机电系统快速设计验证系统和方法。本方法结合基于模型驱动的复杂飞机机电系统协同设计平台的开发，采用基于知识组件的协同设计环境技术，通过对飞机机电系统研发流程的多学科分析、设计、仿真等集成模型研究，提出了集成设计模型，把设计过程中的工具、方法、知识进行有效的集成和封装，形成一系列标准化的、可重用的知识组件，在此基础上构建面向设计仿真集成工具包，突破了基于知识的单元设计技术，通过集成化设计仿真，提高设计效率，降低软件使用门槛，并实现工程设计过程中的知识捕捉、封装以及重用，形成知识工程中的知识组件，实现设计过程的可重复性、可追溯性和可变性。
Description
技术领域
本发明属于飞机设计技术领域，特别涉及一种飞机机电系统快速设计验证系统和方法。
背景技术
飞机系统覆盖机、电、液、气、热等众多领域。在武器效能提升和新任务的牵引下，飞机系统功能日趋复杂，由传统的“分布式”机电逐步迈向“综合化”机电，朝着综合设计、节能减重、精确控制、安全可靠、维护方便等方向发展；系统和成品在功能、结构等方面的耦合关系也越来越复杂，传统的子系统独立设计方法已经明显不适应当前技术发展的需要，飞机机电系统协同设计方法亟需变革和突破。
发明内容
以飞机系统为代表的复杂武器装备设计、研制是一项高度复杂的系统工程，涉及多学科融合和装备全生命周期，需要崭新的思路和手段。在此背景下，通过开展基于知识组件的机电系统快速设计验证方法研究，知识组件驱动可以按照语义及知识组件的分类分为作动、热管理、电气、能源等几部分，主要解决根据功能语义输入，通过知识组件规则判断自适应设计系统解决方案架构的问题，结合智慧化判据与知识组件，实现多物理域研发活动的协同、知识规范与研发活动的关联以及系统定义和系统分析的贯通，从而支撑未来日趋复杂的飞机系统快速研制、提升系统研发能力。
本发明技术方案：
一种飞机机电系统快速设计验证系统，包括
航空产品或航空系统知识组件库、需求语义交互网、知识组件驱动单元和仿真验证单元；
所述需求语义交互网用于人机交互，并提供人机接口用于根据设计需求选择需求语义指令；
所述需求语义交互网指令输出端通过知识组件驱动单元连接知识组件库；
所述知识组件驱动单元用于根据需求语义指令从知识组件库中选择符合设计需求的知识组件；
所述知识组件驱动单元还与仿真验证单元连接，用于将选择出的知识组件发送至仿真验证单元进行仿真验证。
进一步，所述通用模型库包括以下类别：动力/辅助动力模型库、作动模型库、热管理模型库、供电模型库和燃油模型库。
进一步，所述知识组件库包括以下类别：动力系统知识组件、作动系统知识组件、热管理系统知识组件、电气系统知识组件和燃油系统知识组件。
进一步，所述需求语义交互网包括由动力/辅助动力语义文本、作动语义文本、热管理语义文本、供电语义文本、燃油语义文本构成的需求语义交互库。
进一步，所述知识组件驱动单元根据适用度判据，并基于需求语义指令从知识组件库中选择符合设计需求的知识组件；
所述适用度判据与需求语义指令相匹配，所述适用度判据包括：作动形式选择判据、热管理形式选择判据、电能源模式选择判据以及动力燃油形式选择判据。
一种飞机机电系统快速设计验证方法，所述方法基于所述的系统实施，所述方法包括以下步骤：
第一步：通过需求语义交互网选择需求语义指令；
第二步：将需求语义指令发送至知识组件驱动单元，由知识组件驱动单元根据适用度判据推送符合需求的知识组件；
第三步：将知识组件驱动单元推送的知识组件发送至仿真验证单元进行仿真验证。
进一步，所述方法还包括：在适用度判据无法满足需求时，根据设计需求直接从知识组件库中选择符合需求的知识组件。
进一步，所述方法还包括：根据仿真验证结果更换知识组件进行迭代。
本研究通过归纳提炼飞机系统作动、能源、热管理、电气等机电多领域的不同特性的知识组件，对飞机系统常用的几十类知识组件进行映射快速设计，全部采用计算机模型驱动开展协同交互设计验证工作，相比于传统的基于人工相对无序的型号研制设计迭代过程，其迭代设计效率大幅提升，并能智慧化引导没有工程经验的设计员开展设计工作。
附图说明
图1为飞机机电系统快速设计验证系统原理框图；
图2为飞机机电系统快速设计验证方法原理图。
具体实施方式
飞机系统涉及机电综合、热管理、空气能源、供电、液压、燃油、热管理、生保、电网及电气控制等20余个细分专业，机、电、液、气、热、控制等多个学科，是飞机上规模最大、涉及专业最广的复杂系统。
在开展项目研制工作中，日常通用的解决方案存在于各类书本、资料、工程文档或曾有的仿真模型，通过针对特定问题解决方法的技术分类，通过标准化模型封装主结构，可采用判据库辅助引导设计人员进行飞机系统顶层架构协同设计快速验证，归纳以上过程即：
(1)首先建立飞机系统主要单元的通用模型库。
通用模型如下所述应包括至少5类不少于60个:
动力/辅助动力模型库:涡轮、压气机、燃烧室、传动机匣、APU、EPU、引气控制阀、燃油控制阀、空气涡轮起动机、电起动机、燃气涡轮起动机等；
作动模型库：液压泵、辅助液压泵、伺服阀、电磁阀、蓄压器、液压作动筒、压缩气瓶、气压调节阀、机电作动筒、电静液作动筒、电机、作动用电储能单元等；
热管理模型库：压力关断阀、环散、方散、回热/冷凝器、水分离器、涡轮-压气机、涡轮-风扇、加热调节阀、液体泵、储液箱、液体调节阀、液-液散热器、蒸发循环包、相变制冷包、冲压空气冷源等；
供电模型库：直流发电机、辅助直流发电机、交流发电机、直流接触器、互感器、控制器、电源控制盒、DC/DC变换器、一次配电装置、电气负载管理、常规配电、电储能单元等；
燃油模型库：机匣燃油泵、液动泵、引射泵、活门、空气燃油散热器、滑油散热器、电磁阀、油箱、副油箱、电动燃油泵等。
(2)其次，建立基于航空产品或系统的知识组件库。
知识组件库如下所述应包括至少5类不少于40个，见图1。
动力系统知识组件：涡轮能量输出部分、涡扇能量输出部分、涡桨能量输出部分、涡轴能量输出部分、内燃机能量输出部分、IPU组合动力单元、其它发动机等；
作动系统知识组件：液压作动、机电作动、电静液作动、电备份液压作动、气压作动等；
热管理系统知识组件：开式气体循环、闭式气体循环、液体循环、蒸发循环、电热管理循环、开式相变制冷、辐射换热、热管循环、电加热、斯特林制冷等；
电气系统知识组件：主电源(低压直流电源、恒速恒频交流电源、变速恒频电源、变频交流电源、高压直流电源等)、二次电源、应急电源、地面电源、辅助电源、专用电源等；
燃油系统知识组件：供、储及倒飞油箱组件、重力加油、地面压力加油、空中加油、惰化防爆、开式\闭式通气增压组件、液动供油、电动供油、引射输油、增压输油、燃油散热及温控等。
(3)建立知识组件驱动规则
通过从总体需求提出部门提炼当前各类需求输入文档里面的功能语义规则，以及其它设计输入要求，开展飞机机电系统知识组件驱动规则研究，目的是根据功能语义结合知识组件适用度判据，辅助设计人员自适应选择知识组件，也就是解决语义与知识组件相互驱动的问题。
知识组件驱动可以按照语义及知识组件的分类分为动力、作动、热管理、供电、燃油等五部分，主要解决根据功能语义输入，通过知识组件规则判断自适应设计系统解决方案架构的问题，也可以采用人工参与进行手动模式选择。
适用度判据包括：作动形式选择判据、热管理形式选择判据、电能源模式选择判据以及动力燃油形式选择判据等几部分。
例如:热管理形式选择可根据单位面积热流密度的范围作为判据进行分段，<50w/cm2时采用气体冷却、50-100w/cm2时采用单相液体冷却、100-500w/cm2时采用两相流冷却、500-1000w/cm2时采用微通道冷却、1000w/cm2时采用喷雾冷却等，以上需求指标如果明确，可以通过判据推送相应的知识组件解决方案。
(4)建立需求交互语义网
传统飞机机电系统设计在上下游部门之间主要通过文档交互来开展工作，在需求分析至系统设计再至系统仿真验证再至系统优化主线上缺乏基于模型的数字化支撑手段，效率比较低下，虽然采用了部分专用工具软件开展工作，但是并未能结合各专业以及上下游部门协调的特点将此主线打通，也就是需求模型至功能模型至系统模型之间的交互环节缺失。因此，基于语义的复杂系统自适应设计技术作为本项目的关键技术之一，着力于解决此类问题。其核心思想即：将需求方以往基于文本的功能需求和非功能需求提炼成计算机可识别的语义规则，通过开发相应的管理平台以及语义数据库，需求方可通过此库结合自适应设计规则进行选择设计，而后与机电各专业设计部门开展需求输入迭代工作，建立由计算机管理的符合规范的需求模型及概念样机，目的是提高设计人员的工作效率。
动力/辅助动力语义文本：提供推力、提供引气、提供轴功率、提供飞附机匣滑油、地面起动、地面冷运转、空中起动、油门操纵、发动机补氧等；辅助动力还包括提供气源、提供应急能源、自起动等。
作动语义文本：升降副翼作动、全动垂尾作动、鸭翼作动、前缘襟翼驱动、武器舱门驱动、武器弹架驱动、导弹弹射驱动、主机轮刹车供压、伞舱驱动供压、收放式空中受油供压等。
热管理语义文本：座舱温控、座舱压控、设备空气冷却、设备液体冷却、设备相变冷却、特殊装置温控、生保通风、抗荷供压、制氧供气、油箱增压、应急冲压等。
供电语义文本：主发电、辅助发电、电能转换、蓄电池应急供电、多余度和不间断供电、电源优先级管理、地面电源监控、用电设备供电控制、故障检测保护和系统重构、起动辅助动力装置等。
燃油语义文本：燃油贮存、机载惰化、通气增压、加放油、供油、燃油转输-重心控制、热负载、燃油测量、燃油管理等。
(5)功能模型集成调度、协同设计与仿真管理
利用虚拟技术的模型集成与协同仿真，能够通过图形化的方式，利用飞机系统组件模型快速进行系统构建，建立形象的飞机系统原理图，并能够设置各组件模块的主要参数，将组件模型的数据驱动通道关联到仿真系统数据中，自适应设计后的逻辑及功能示例图见图2。
提供丰富的飞机系统设备功能模块库，需覆盖燃油、液压、热管理、供电、动力等系统主要设备，并包括多种仪表模块、曲线显示模块、数据显示模块等；
具备飞机系统功能组件管理功能，能够将飞机系统内部设备的原理图标绘制并封装成参数驱动的功能组件模块，能够形象生动展示该设备主要功能；
能够根据仿真系统的数据配置信息，从仿真软总线采集并存储仿真过程数据，并可存放于数据库或数据文件中，确保数据采集模块不能影响仿真系统，数据不存在丢帧现象，并确保数据格式正确；
能够对仿真总线上的数据进行采集并根据总线数据配置信息将数据发送到多个模型组件；通过数据驱动各模型组件进行动态显示，其显示效果应满足仿真展示需求，不存在卡顿现象；
支持可编程的命令语言，使用户可根据自己的需要编撰程序，增强图形界面；提供模型库开发功能，用户可对模型库中模型进行二次开发。
支持主流PC机和工作站硬件平台，可单机工作，也支持C/S工作模式。
结合飞机型号研制阶段的特点，按各设计阶段对应的具体步骤，由总体指标需求牵引出系统功能需求，由系统功能语义集进行知识组件建模，通过基于理论和工程经验封装的语义识别判据库引导基础模型库映射出相应的知识组件，自适应设计出相应系统，可开展功能及逻辑协同仿真，模型通过ICD牵引，可以扩展应用至详细设计阶段的性能模型。
Claims (8)
1.一种飞机机电系统快速设计验证系统，其特征在于：所述系统包括
航空产品或航空系统知识组件库、需求语义交互网、知识组件驱动单元和仿真验证单元；
所述知识组件库基于飞机机电系统的通用模型库建立；
所述需求语义交互网用于人机交互，并提供人机接口用于根据设计需求选择需求语义指令；
所述需求语义交互网指令输出端通过知识组件驱动单元连接知识组件库；
所述知识组件驱动单元用于根据需求语义指令从知识组件库中选择符合设计需求的知识组件；
所述知识组件驱动单元还与仿真验证单元连接，用于将选择出的知识组件发送至仿真验证单元进行仿真验证。
2.根据权利要求1所述的一种飞机机电系统快速设计验证系统，其特征在于：所述通用模型库包括以下类别：动力/辅助动力模型库、作动模型库、热管理模型库、供电模型库和燃油模型库。
3.根据权利要求2所述的一种飞机机电系统快速设计验证系统，其特征在于：所述知识组件库包括以下类别：动力系统知识组件、作动系统知识组件、热管理系统知识组件、电气系统知识组件和燃油系统知识组件。
4.根据权利要求3所述的一种飞机机电系统快速设计验证系统，其特征在于：所述需求语义交互网包括由动力/辅助动力语义文本、作动语义文本、热管理语义文本、供电语义文本、燃油语义文本构成的需求语义交互库。
5.根据权利要求4所述的一种飞机机电系统快速设计验证系统，其特征在于：所述知识组件驱动单元根据适用度判据，并基于需求语义指令从知识组件库中选择符合设计需求的知识组件；
所述适用度判据与需求语义指令相匹配，所述适用度判据包括：作动形式选择判据、热管理形式选择判据、电能源模式选择判据以及动力燃油形式选择判据。
6.一种飞机机电系统快速设计验证方法，所述方法基于权利要求1-5所述的系统实施，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
第一步：通过需求语义交互网选择需求语义指令；
第二步：将需求语义指令发送至知识组件驱动单元，由知识组件驱动单元根据适用度判据推送符合需求的知识组件；
第三步：将知识组件驱动单元推送的知识组件发送至仿真验证单元进行仿真验证。
7.根据权利要求6所述的一种飞机机电系统快速设计验证方法，其特征在于：所述方法还包括：在适用度判据无法满足需求时，根据设计需求直接从知识组件库中选择符合需求的知识组件。
8.根据权利要求6所述的一种飞机机电系统快速设计验证方法，其特征在于：所述方法还包括：根据仿真验证结果更换知识组件进行迭代。
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| Pornet | Conceptual design methods for sizing and performance of hybrid-electric transport aircraft | |
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| Sahoo et al. | System-Level Assessment of a Partially Distributed Hybrid Electric Propulsion System | |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210319 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |