CN114154294B

CN114154294B - 一种航空发动机高空模拟试验的虚拟试验架构

Info

Publication number: CN114154294B
Application number: CN202111222069.5A
Authority: CN
Inventors: 冷林涛; 吴锋; 冯旭栋; 杨彩琼; 徐倩楠; 乔彦平; 刘涛; 张韦雅
Original assignee: AECC Sichuan Gas Turbine Research Institute
Current assignee: AECC Sichuan Gas Turbine Research Institute
Priority date: 2021-10-20
Filing date: 2021-10-20
Publication date: 2023-06-13
Anticipated expiration: 2041-10-20
Also published as: CN114154294A

Abstract

本申请提供一种航空发动机高空模拟试验的虚拟试验架构，属于航空发动机试验技术领域，包括虚拟试验架构包括需求分析层，用于针对航空发动机高空模拟试验开展高空台虚拟试验的需求分析，确定所需的关键技术和研究范围；技术支撑层，用于根据需求分析层的分析结果依次进行建模与仿真、确定虚拟试验平台技术以及确定虚拟试验样机技术；工程验证层，用于搭建虚拟样机以及在实物系统接入虚拟试验样机情况下进行高空台的功能预演与验证；应用层，用于在功能预演与验证后进行试验能力和可试范围评估、试验方案预优化、试验布局和测试布局优化以及试验数据有效性评估。通过本申请的处理方案，提升试验拟真度，缩短试验周期，推动高空台试验技术进步。

Description

一种航空发动机高空模拟试验的虚拟试验架构

技术领域

本申请涉及航空发动机试验技术领域，尤其涉及一种航空发动机高空模拟试验的虚拟试验架构。

背景技术

航空发动机高空模拟试验是航空发动机设计验证的重要手段，是研制过程的不可逾越重要环节，传统的高空模拟试验模式需投入的设备众多、试验风险大，并且试验科目工况复杂、成本高，未来发动机的研制难度显著增加，试验技术也必然面临新的发展。目前国内仍采取物理试验的方式对航空发动机性能进行评估，仿真技术仅在发动机设计过程中得到了较多的应用，在高空模拟试验领域还处于起步阶段，无法满足新的试验技术发展需求。

目前航空发动机试验技术体系并不完善，与国外比有相当大的差距，特别是虚拟试验技术的实时途径、方法，采取的技术方案等仍不明确，在建立大型复杂试验系统的虚拟化仿真平台、样机构建、应用验证等方面的研究十分欠缺。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种航空发动机高空模拟试验的虚拟试验架构，通过虚拟试验技术弥补现有高空模拟试验技术的不足，为传统发动机试验提供一种虚拟试验架构模式。

本申请实施例提供一种航空发动机高空模拟试验的虚拟试验架构，所述虚拟试验架构包括需求分析层、技术支撑层、工程验证层和应用层，

所述需求分析层用于针对航空发动机高空模拟试验开展高空台虚拟试验的需求分析，确定所需的关键技术和研究范围；

所述技术支撑层用于根据所述需求分析层的分析结果依次进行建模与仿真、确定虚拟试验平台技术以及确定虚拟试验样机技术；

所述工程验证层用于搭建虚拟样机以及在实物系统接入所述虚拟试验样机情况下进行高空台的功能预演与验证；

所述应用层用于试验能力和可试范围评估、试验方案预优化、试验布局和测试布局优化以及试验数据有效性评估。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述需求分析包括开展虚拟试验需求分析和应用场景分析。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述建模与仿真用于为构建虚拟试验提供所需的仿真模型，所述仿真模型包括多学科低阶模型和三维高阶模型。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述多学科低阶模型包括设备专用模型和原理通用模型，所述设备专用模型包括容积、管道和阀门，所述原理通用模型包括流阻和热阻。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述三维高阶模型包括进气流场和排气流场。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述虚拟试验平台技术用于将虚拟试验中的仿真模型、硬件设备、高空台试验数据、仿真数据、仿真环境和交互接口有机结合起来，开发离线和在线两种应用模式，所述离线模式用于虚拟试验仿真模型，采用组件化和模块化的思想，实现虚拟试验流程的柔性组织和多系统联合仿真与驱动，支撑高空台虚拟试验的布局及方案预优化，所述在线模式用于虚拟试验中间件，对虚拟试验的仿真模型、实物模型和半实物模型进行综合调度、通信和管理，实现虚拟试验的过程管控和数据管理，支撑高空台虚拟试验的结果预测评估。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述虚拟试验样机技术采用数字孪生技术，以并行和迭代思想指导虚拟试验，实现虚拟试验全生命周期各阶段的协同工作，所述数字孪生技术是在数字空间构建一个基于高精度物理模型、历史数据和传感器数据的数字高空台模型，根据高空台构造原理和运行机理建立高空台虚拟试验样机。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述需求分析还包括梳理典型虚拟试验模式和功能模块。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述典型虚拟试验模式包括功能试验、性能试验、加减速试验和起动试验，所述功能模块包括试验范围评估、试验方案优化、试验布局优化和数据有效性评估。

有益效果

本申请实施例中的航空发动机高空模拟试验的虚拟试验架构，可以解决高空台试验本身的技术体系薄弱问题，促进提升试验拟真度，确保试验一次成功，扩展试验能力，缩短试验周期，推动高空台试验技术进步；该技术可以增强试验数据说服力，充实有效数据量，加快型号研发迭代，满足航空发动机研发体系建设发展需求；该技术本身是探索发动机试验中虚实结合的前沿试验技术，具有在航发试验体系中的牵引拓展意义，同时也对促进新兴信息技术在航空发动机领域的应用等方面的研究探索起到推动作用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为根据本发明一实施例的航空发动机高空模拟试验的虚拟试验架构的架构图；

图2为根据本发明一实施例的低阶模型开发技术路线图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

本申请实施例提供了一种航空发动机高空模拟试验的虚拟试验架构，具体架构参照图1，所述虚拟试验架构包括需求分析层、技术支撑层、工程验证层和应用层。

所述需求分析层用于根据型号研制中高空模拟试验的实际情况与发展需求，开展虚拟试验需求分析和应用场景分析，梳理典型虚拟试验模式和功能模块，分析实现高空台虚拟试验所需的关键技术及研究范围。具体的，需求分析包含虚拟试验的可试科目拓展需求、试验方案优化需求、试验流程优化需求；应用场景包括试验早期设计、试验信息管理、试验教学演示。高空台虚拟试验所需的关键技术包括：复杂试验装置多学科全状态动态建模与实时求解技术、高空台试验数据驱动的“试验对象”校准与模型嵌入技术、高空台虚拟试验中的时间管理技术、面向应用场景的虚拟试验流程柔性组织及优化技术；研究范围包括：建模与仿真技术、虚拟试验平台技术、虚拟试验样机技术、虚拟试验应用验证。

更为具体的，所述典型虚拟试验模式包括功能试验、性能试验、加减速试验和起动试验，所述功能模块包括试验范围评估、试验方案优化、试验布局优化和数据有效性评估。

所述技术支撑层用于根据所述需求分析层的分析结果依次进行建模与仿真、确定虚拟试验平台技术以及虚拟试验样机技术。

具体的，建模仿真是用于为构建虚拟试验提供所需的仿真模型，包括多学科低阶模型和三维高阶模型，高阶模型主要包括进气流场和排气流场，低阶模型采用具有集总参数特征的多学科低阶建模方法，开发虚拟试验建模仿真环境，基于Modelica语言技术开发高空模拟试验专用模型库，模型库包含设备专用模型和原理通用模型，设备专用模型包括容积、管道、阀门等，原理通用模型包括流阻、热阻等，通过开发的模型库根据高空台设备工作原理搭建虚拟试验仿真模型，并进行逐级验证，高阶模型采用CFD方法进行热流体分析获得流场的实时数据，采用FEM方法进行固体的变形和热传导分析，联合求解实现排气结构流固热耦合场仿真，准确捕捉流场状态，实现大尺度分离流场的准确仿真。

开发低阶模型技术路线如图2所示，具体的建模过程为：首先将高空台设备实物系统进行分解为多个子系统，再对各子系统进行分解为多个元件；在高空台仿真模型系统中构件与各个元件对应的模型，各个元件之间的连接关系与各个模型之间的连接关系相互映射，再将模型进行组合，形成与实物系统中的子系统相对应的子模型，子模型的连接关系与子系统的连接关系相互映射；最后将各子模型组合形成高空台仿真模型系统。

具体的，设备专用模型中的容积原理如下，

温度变化为：

压力变化：

其中，T为温度，R为气体常数，p为气体压力，V为容积，c_v为定容比热，c_p为定压比热，P_w为做功，W_a为气体流量，下标i为入口，下标0为出口，t为时间。

管道原理如下，

压力损失：p₂-p₁＝R*W_a，其中，p₂为出口压力，p₁为入口压力，R为气体常数，W_a为气体流量。

阀门原理如下：

流量：

其中，/>

其中，Wa为气体流量，α为流量系数，A为阀门流通面积，p₁为入口气体压力，p₂为出口气体压力，ρ₁为入口气体密度，k为气体比热。

下面对虚拟试验平台技术和虚拟试验样机技术进行详细介绍。

虚拟试验平台技术用于实现将虚拟试验中的模型、硬件设备、高空台试验数据和仿真数据、交互接口等有机结合起来，包含“离线”和“在线”两种应用模式。“离线”模式主要针对航空发动机高空模拟试验模型，基于组件化及流程模块化思想，实现虚拟试验流程的柔性组织和多系统联合仿真与驱动，支撑高空台虚拟试验的布局及方案预优化；“在线”模式基于分布式和实时性要求，用于虚拟试验中间件，对虚拟试验的仿真模型、实物模型和半实物模型进行综合调度、通信和管理，实现虚拟试验的过程管控和数据管理，支撑高空台虚拟试验的结果预测评估。其中，中间件即为模型总线，是一个以TCP/IP通信协议和FMI接口协议为基础，通过C/S架构实现跨学科、跨领域复杂系统模型集成仿真的通用工具。

虚拟试验平台包含建模软件、网关开发软件、监控软件、数据记录软件、回放软件，平台中包含中间件，中间件负责各类软件的通信、调度、管理。换句话也就是说，虚拟试验平台是一个支撑环境，属于软件层面，高空台虚拟试验平台将虚拟试验中的模型、设备、数据、环境、交互接口等有机地集成起来，实现虚拟试验过程的“虚实结合”。

搭建虚拟试验样机技术采用建模与数字孪生技术，以并行、迭代、柔性的思想指导虚拟试验，实现虚拟试验全生命周期各阶段的协同工作。首先在数字空间构建一个基于高精度物理模型、历史数据、传感器数据的数字高空台模型运行平台；然后通过对虚拟试验样机技术的研究，构建虚拟试验样机，使得高空台的试验和工作状态能够实时、精确地反映在虚拟空间中，实现信息的双向流动；其次通过三维视景技术研究，将虚拟试验得到的大量数据进行可视化处理，使得设计者能够身临其境地感受到产品的真实存在，在虚拟环境下对试验进行分析和处理；最后通过硬件在环技术，提高虚拟试验样机的计算与处理效率，提高数据传输速率，帮助提升高空台试验自动化水平。

虚拟试验样机是在数字空间构建一个基于高精度物理模型、历史数据、传感器数据的数字高空台模型，主要解决样机的数字孪生运行机理、虚拟空间模型并行仿真、试验三维视景与虚拟现实场景、硬件在环仿真与控制。虚拟试验样机技术是在虚拟试验平台技术基础上，更进一步实现虚拟试验，实现虚实资源集成与动态交互，包含软件和硬件设备。

所述工程验证层用于在虚拟样机下对实物数据接入、模型仿真、资源驱动总线、平台数据流转等功能的技术验证，换句话也就是说，在实物系统接入所述虚拟试验样机情况下进行高空台的功能预演与验证。具体包括高空台试验流程、仿真精度、三维场景等功能预演与验证。以及验证平台的“离线”和“在线”两种应用模式，实现信息技术在航空发动机研制和试验体系中的集成应用。

所述应用层用于试验能力和可试范围评估、试验方案预优化、试验布局和测试布局优化以及试验数据有效性评估。该部分建立一个高空台缩比多学科相似物理验证，结合发动机模拟器或其他试验件进行发动机高空模拟全物理实时仿真试验，通过试验实时演示系统，对整个试验过程进行动态演示，全面实现物理、虚拟试验信息的综合可视化，用于支持人员的决策判断和应用模式拓展。

为了使本发明申请的针对航空发动机高空模拟试验的虚拟试验架构更加清楚，对虚拟试验的实施步骤进行进一步详细说明，具体包括以下步骤：

S1、首先确定航空发动机高空模拟虚拟试验的顶层需求。

S11、分析虚拟试验需求分析和应用场景分析。

S12、梳理典型虚拟试验模式和功能模块。

S13、分析实现高空台虚拟试验所需的关键技术及研究范围。

S2、建立实施高空模拟虚拟试验所需的技术基础。

S21、虚拟试验建模仿真技术，包括虚拟试验建模仿真环境部署、高空台物理系统分解、高空台分解子系统元件原理分析、建立虚拟试验仿真模型、建立子系统模型和高空台仿真系统模型、模型验证与测试、仿真验证等。

S22、虚拟试验平台技术，包含“离线”和“在线”两种应用模式，“离线”模式支撑高空台虚拟试验的布局及方案预优化；“在线”模式支撑高空台虚拟试验结果预测评估。

S23、虚拟试验样机技术，采用建模与数字孪生技术，以并行、迭代、柔性的思想指导虚拟试验，实现虚拟试验全生命周期各阶段的协同工作。

S3、进行高空模拟虚拟试验工程验证。

S31、构建高空台虚拟样机。

S32、高空台实物数据接入虚拟样机。

S33、高空台试验功能预演与验证。

S4、开展高空模拟虚拟试验典型应用。

S41、建立高空台缩比多学科相似物理验证系统。

S42、进行试验能力和可试范围评估、试验方案预优化、试验布局和测试布局优化、试验数据有效性评估典型应用。

S43、对整个试验过程进行动态演示。

S44、全面实现物理、虚拟试验信息的综合可视化。

S45、支持人员的决策判断和应用模式拓展。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种航空发动机高空模拟试验的虚拟试验架构，其特征在于，所述虚拟试验架构包括需求分析层、技术支撑层、工程验证层和应用层，

所述技术支撑层用于根据所述需求分析层的分析结果依次进行建模与仿真、确定虚拟试验平台技术以及确定虚拟试验样机技术；所述虚拟试验样机技术采用数字孪生技术，以并行和迭代思想指导虚拟试验，实现虚拟试验全生命周期各阶段的协同工作，所述数字孪生技术是在数字空间构建一个基于高精度物理模型、历史数据和传感器数据的数字高空台模型，根据高空台构造原理和运行机理建立高空台虚拟试验样机；

所述应用层用于在所述功能预演与验证后进行试验能力和可试范围评估、试验方案预优化、试验布局和测试布局优化以及试验数据有效性评估。

2.根据权利要求1所述的航空发动机高空模拟试验的虚拟试验架构，其特征在于，所述需求分析包括开展虚拟试验需求分析和应用场景分析。

3.根据权利要求1所述的航空发动机高空模拟试验的虚拟试验架构，其特征在于，所述建模与仿真用于为构建虚拟试验提供所需的仿真模型，所述仿真模型包括多学科低阶模型和三维高阶模型。

4.根据权利要求3所述的航空发动机高空模拟试验的虚拟试验架构，其特征在于，所述多学科低阶模型包括设备专用模型和原理通用模型，所述设备专用模型包括容积、管道和阀门，所述原理通用模型包括流阻和热阻。

5.根据权利要求3所述的航空发动机高空模拟试验的虚拟试验架构，其特征在于，所述三维高阶模型包括进气流场和排气流场。

6.根据权利要求3所述的航空发动机高空模拟试验的虚拟试验架构，其特征在于，所述虚拟试验平台技术用于将虚拟试验中的仿真模型、硬件设备、高空台试验数据、仿真数据、仿真环境和交互接口有机结合起来，开发离线和在线两种应用模式，所述离线模式用于虚拟试验仿真模型，采用组件化和模块化的思想，实现虚拟试验流程的柔性组织和多系统联合仿真与驱动，支撑高空台虚拟试验的布局及方案预优化，所述在线模式用于虚拟试验中间件，对虚拟试验的仿真模型、实物模型和半实物模型进行综合调度、通信和管理，实现虚拟试验的过程管控和数据管理，支撑高空台虚拟试验的结果预测评估。

7.根据权利要求2所述的航空发动机高空模拟试验的虚拟试验架构，其特征在于，所述需求分析还包括梳理典型虚拟试验模式和功能模块。

8.根据权利要求7所述的航空发动机高空模拟试验的虚拟试验架构，其特征在于，所述典型虚拟试验模式包括功能试验、性能试验、加减速试验和起动试验，所述功能模块包括试验范围评估、试验方案优化、试验布局优化和数据有效性评估。