CN116186940A - 模型实时驱动的航空发动机沉浸式虚拟运行系统 - Google Patents

模型实时驱动的航空发动机沉浸式虚拟运行系统 Download PDF

Info

Publication number
CN116186940A
CN116186940A CN202310207398.5A CN202310207398A CN116186940A CN 116186940 A CN116186940 A CN 116186940A CN 202310207398 A CN202310207398 A CN 202310207398A CN 116186940 A CN116186940 A CN 116186940A
Authority
CN
China
Prior art keywords
simulation module
aeroengine
engine
real
aero
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202310207398.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN116186940B (zh
Inventor
杨佳利
曹文宇
刘凯
姚舜
谢鹏福
曾德堂
朱育飞
胡忠志
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tsinghua University
Original Assignee
Tsinghua University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tsinghua University filed Critical Tsinghua University
Priority to CN202310207398.5A priority Critical patent/CN116186940B/zh
Publication of CN116186940A publication Critical patent/CN116186940A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN116186940B publication Critical patent/CN116186940B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B17/00—Systems involving the use of models or simulators of said systems
    • G05B17/02—Systems involving the use of models or simulators of said systems electric
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/28—Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/08—Fluids
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
  • Processing Or Creating Images (AREA)

Abstract

本发明提供了一种模型驱动的航空发动机虚拟运行仿真和三维可视化方法，属于航空发动机数值仿真和可视化技术领域，其特征在于至少含有操控台、实时控制模块、执行部件动力学仿真模块、三维结构模型运动学仿真模块、航空发动机气动热力模型仿真模块、三维视景渲染仿真模块。为实现多系统耦合的航空发动机虚拟运行仿真效果，本发明提出了一种模型实时驱动的沉浸式航空发动机虚拟运行系统，通过航空发动机控制系统、三维结构模型和气动热力性能模型等多学科异构模型的联合仿真产生运行数据，实时驱动三维视景仿真系统进行三维沉浸式渲染和映射，根据人机交互接口实时调整航空发动机运行状态，可形象逼真地模拟航空发动机运行过程。

Description

模型实时驱动的航空发动机沉浸式虚拟运行系统
技术领域
本发明属于航空发动机数值仿真和三维可视化技术领域，涉及一种模型驱动的航空发动机虚拟运行仿真和可视化方法。
背景技术
目前，航空发动机数字仿真领域主要存在两方面问题：一是仿真学科单一，无法实现系统级的联合仿真效果；二是仿真功能单一，主要集中于结构展示、性能计算等方面，缺少多学科综合的展示案例。具体而言，目前的航空发动机数字仿真研究内容和课题，受限于专业知识局限性和数据共享问题，一般仅局限于单学科、单系统的仿真功能研究，如压气机特性仿真、燃烧室性能仿真、燃油系统仿真、控制系统仿真等，难以形成多系统耦合的联合仿真功能。在目前的仿真功能方面，美国普惠、法国ESI等公司公开的产品仅局限于航空发动机三维结构展示和运动学仿真分析，法国Price Induction公司的教学仿真系统仅可实现性能计算演示，控制系统的硬件在回路仿真主要局限于控制软硬件测试验证，均无法实现多学科、多系统数据的联合仿真功能，难以直观形象呈现航空发动机虚拟运行效果。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种模型实时驱动的航空发动机沉浸式虚拟运行仿真方案，以弥补当前航空发动机仿真领域学科单一、功能简单的问题。
模型实时驱动的航空发动机沉浸式虚拟运行系统，其特征在于至少含有操控台、实时控制模块、执行部件动力学仿真模块、三维结构模型运动学仿真模块、航空发动机气动热力模型仿真模块、三维视景渲染仿真模块；其中：
所述操控台用于实现人机输入交互接口和数据显示功能，其通过油门操纵杆、推力矢量操纵杆输入装置实时读取操作人员的操控输入指令，并将操控输入指令给至所述实时控制模块，同时将所述航空发动机气动热力模型仿真模块输出的运行状态和数据进行实时显示；
所述实时控制模块用于实现航空发动机运行状态实时闭环控制和调节功能，其根据所述操控台给定的操控输入指令，以及所述航空发动机气动热力模型仿真模块输出的运行状态和数据，通过闭环控制算法计算得到航空发动机各执行部件的控制指令，作为所述实时控制模块的输出信号，给至所述执行部件动力学仿真模块和所述航空发动机气动热力模型仿真模块；
所述执行部件动力学仿真模块用于实时计算航空发动机执行部件动力学响应，其根据所述实时控制模块给定的控制指令，结合每个执行部件当前的状态数据和响应特性或工作机理，计算下一时刻每个执行部件的响应结果，作为所述执行部件动力学仿真模块的输出，其中与航空发动机可调几何机构关联的执行部件的响应结果给至所述三维结构模型运动学仿真模块，其余执行部件的响应结果给至所述航空发动机气动热力模型仿真模块；
所述三维结构模型运动学仿真模块用于实现航空发动机可调几何机构的三维结构运动学实时仿真计算功能，其输入信号为所述执行部件动力学仿真模块计算得到的执行部件的响应结果，根据航空发动机三维结构模型信息和零部件关联及约束关系，实时计算在当前执行部件的响应结果情况下各可调几何机构的运动情况，并作为航空发动机可调几何机构的运动学仿真结果给至所述航空发动机气动热力模型仿真模块；
所述航空发动机气动热力模型仿真模块用于实时计算航空发动机动力学响应和运行状态，其根据上述各执行部件的响应结果、上述航空发动机可调几何机构的运动学仿真结果和航空发动机当前的运行状态和数据，依据航空发动机气动热力模型和共同工作方程计算航空发动机下一时刻的运行状态和数据，作为所述航空发动机气动热力模型仿真模块的输出信号，给至所述操控台、所述实时控制模块和所述三维视景渲染仿真模块；
所述三维视景渲染仿真模块用于实现航空发动机三维结构和运行数据的实时渲染功能，其实时接收所述航空发动机气动热力模型仿真模块计算的运行数据，并通过视景渲染技术将运行数据信息映射和渲染至航空发动机三维结构模型中，形成航空发动机沉浸式虚拟运行渲染结果，给至立体显示设备进行显示。
可选的，所述航空发动机气动热力模型仿真模块在计算航空发动机动力学响应和运行状态的同时，可实时计算航空发动机可调几何机构的气动载荷，给至所述三维结构模型运动学仿真模块；所述三维结构模型运动学仿真模块根据可调几何机构的气动载荷和零部件关联及几何关系，实时计算得到与航空发动机可调几何机构关联的执行部件的负载大小，给至所述执行部件动力学仿真模块；所述执行部件动力学仿真模块在计算航空发动机执行部件动力学响应过程中，可在相关执行部件的响应结果计算过程中引入负载大小的影响，优化计算结果。
可选的，所述执行部件动力学仿真模块的实现可采用机理建模法或输入-输出特性等效建模法或简化为输入信号至输出信号的赋值环节。
本发明采用以上技术方案即可实现航空发动机控制系统、三维结构模型和气动热力性能模型等多学科异构模型相融合的联合仿真功能，并利用仿真数据实时驱动三维视景仿真系统进行可视化渲染和截面或状态数据映射，通过立体显示设备可呈现逼真度高、沉浸感强、直观形象的航空发动机虚拟运行效果。与单纯的结构展示或性能计算不同，本发明将控制、结构、性能等不同学科模型和数据相互关联，形成了多系统、多学科联合仿真能力；同时，可根据操作指令实时运行和调整航空发动机运行状态，逼真地模拟和呈现航空发动机运行过程。
附图说明
图1：本发明虚拟运行仿真系统方案框图。
图2：某型涡扇发动机结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明，此处所说明的方案只用来提供对本发明的进一步理解，为本申请的一部分，不构成对本发明方案的限定。
本实施例以某型涡扇发动机为例进行介绍(结构示意图如图2所示)，包含操控台、实时控制系统、执行部件动力学仿真系统、三维结构模型运动学仿真软件、航空发动机气动热力模型实时仿真系统、三维视景渲染系统和立体显示设备。
操控台由航空发动机操控软件、仪表显示软件等软件和油门操纵杆和推力矢量操纵杆等输入设备组成，操控软件实时读取油门操纵杆和推力矢量操纵杆的输入信息，将其转化为发动机调节和控制指令发送给实时控制系统；同时，操控软件和仪表显示软件对航空发动机气动热力模型实时仿真系统反馈的发动机运行状态和数据进行显示或绘制曲线，如发动机运行状态、高低压转速、压力、温度等运行数据。
实时控制系统采用实时控制器实现，其根据操控软件发送的控制指令，根据航空发动机当前的运行状态、反馈数据和飞行条件，依据控制计划、控制逻辑和控制算法，计算各执行部件的控制指令，给至执行部件动力学仿真系统。
执行部件动力学仿真系统用于实现执行部件响应过程计算，根据执行部件的控制指令和当前执行部件的运动状态，依据所建立执行部件动力学模型计算得到最新的响应输出，其中，与航空发动机可调几何机构相关联的执行机构响应结果，如导叶调节机构、喷口调节机构、推力矢量调节机构等执行部件，给至三维结构模型运动学仿真软件；其余执行部件的响应结果，如燃油计量装置、点火装置等，给至航空发动机气动热力模型实时仿真系统。其中，各执行部件的动力学建模方法可采用传递函数、状态空间、机械液压机理模型等方案，也可采用控制指令到响应结果的直接赋值方案。
三维结构模型运动学仿真软件根据三维结构模型、航空发动机可调几何机构之间的关联和约束关系，根据执行部件的运动结果，通过三维结构运动学仿真计算航空发动机各可调几何机构的偏转或位移结果，得到叶片、喷口、矢量喷管等机构的机械运动结果，给至航空发动机气动热力模型实时仿真系统进行气动性能计算。
航空发动机气动热力模型实时仿真系统根据各执行部件的输入和航空发动机当前的运行状态和数据，依据航空发动机动力学特性和气动热力等物理原理，计算发动机下一时刻的变化趋势，得到航空发动机的高低压转速、截面压力、温度、推力等仿真数据，给至三维视景渲染系统进行可视化渲染。
三维视景渲染系统根据航空发动机气动热力模型的仿真结果，以及发动机的三维结构模型，进行坐标对齐和物理量映射，将转速变化、温度场、压力场等情况进行可视化呈现和渲染，通过立体显示设备呈现航空发动机虚拟运行效果。
立体显示设备可选择适当的PowerWall立体显示设备或CAVE显示系统或VR显示头盔。
通过以上步骤即可实现模型实时驱动的沉浸式航空发动机虚拟运行系统。以上所述的具体实施方法，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明方法的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.模型实时驱动的航空发动机沉浸式虚拟运行系统，其特征在于至少含有操控台、实时控制模块、执行部件动力学仿真模块、三维结构模型运动学仿真模块、航空发动机气动热力模型仿真模块、三维视景渲染仿真模块；其中：
所述操控台用于实现人机输入交互接口和数据显示功能，其通过油门操纵杆、推力矢量操纵杆输入装置实时读取操作人员的操控输入指令，并将操控输入指令给至所述实时控制模块，同时将所述航空发动机气动热力模型仿真模块输出的运行状态和数据进行实时显示；
所述实时控制模块用于实现航空发动机运行状态实时闭环控制和调节功能，其根据所述操控台给定的操控输入指令，以及所述航空发动机气动热力模型仿真模块输出的运行状态和数据，通过闭环控制算法计算得到航空发动机各执行部件的控制指令，作为所述实时控制模块的输出信号，给至所述执行部件动力学仿真模块和所述航空发动机气动热力模型仿真模块；
所述执行部件动力学仿真模块用于实时计算航空发动机执行部件动力学响应，其根据所述实时控制模块给定的控制指令，结合每个执行部件当前的状态数据和响应特性或工作机理，计算下一时刻每个执行部件的响应结果，作为所述执行部件动力学仿真模块的输出，其中与航空发动机可调几何机构关联的执行部件的响应结果给至所述三维结构模型运动学仿真模块，其余执行部件的响应结果给至所述航空发动机气动热力模型仿真模块；
所述三维结构模型运动学仿真模块用于实现航空发动机可调几何机构的三维结构运动学实时仿真计算功能，其输入信号为所述执行部件动力学仿真模块计算得到的执行部件的响应结果，根据航空发动机三维结构模型信息和零部件关联及约束关系，实时计算在当前执行部件的响应结果情况下各可调几何机构的运动情况，并作为航空发动机可调几何机构的运动学仿真结果给至所述航空发动机气动热力模型仿真模块；
所述航空发动机气动热力模型仿真模块用于实时计算航空发动机动力学响应和运行状态，其根据上述各执行部件的响应结果、上述航空发动机可调几何机构的运动学仿真结果和航空发动机当前的运行状态和数据，依据航空发动机气动热力模型和共同工作方程计算航空发动机下一时刻的运行状态和数据，作为所述航空发动机气动热力模型仿真模块的输出信号，给至所述操控台、所述实时控制模块和所述三维视景渲染仿真模块；
所述三维视景渲染仿真模块用于实现航空发动机三维结构和运行数据的实时渲染功能，其实时接收所述航空发动机气动热力模型仿真模块计算的运行数据，并通过视景渲染技术将运行数据信息映射和渲染至航空发动机三维结构模型中，形成航空发动机沉浸式虚拟运行渲染结果，给至立体显示设备进行显示。
2.根据权利要求1中所述模型实时驱动的航空发动机沉浸式虚拟运行系统，其特征在于，所述航空发动机气动热力模型仿真模块在计算航空发动机动力学响应和运行状态的同时，可实时计算航空发动机可调几何机构的气动载荷，给至所述三维结构模型运动学仿真模块；所述三维结构模型运动学仿真模块根据可调几何机构的气动载荷和零部件关联及几何关系，实时计算得到与航空发动机可调几何机构关联的执行部件的负载大小，给至所述执行部件动力学仿真模块；所述执行部件动力学仿真模块在计算航空发动机执行部件动力学响应过程中，可在相关执行部件的响应结果计算过程中引入负载大小的影响，优化计算结果。
3.根据权利要求1中所述模型实时驱动的航空发动机沉浸式虚拟运行系统，其特征在于，所述执行部件动力学仿真模块的实现可采用机理建模法或输入-输出特性等效建模法或简化为输入信号至输出信号的赋值环节。
CN202310207398.5A 2023-03-03 2023-03-03 模型实时驱动的航空发动机沉浸式虚拟运行系统 Active CN116186940B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310207398.5A CN116186940B (zh) 2023-03-03 2023-03-03 模型实时驱动的航空发动机沉浸式虚拟运行系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310207398.5A CN116186940B (zh) 2023-03-03 2023-03-03 模型实时驱动的航空发动机沉浸式虚拟运行系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN116186940A true CN116186940A (zh) 2023-05-30
CN116186940B CN116186940B (zh) 2023-10-20

Family

ID=86448610

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310207398.5A Active CN116186940B (zh) 2023-03-03 2023-03-03 模型实时驱动的航空发动机沉浸式虚拟运行系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116186940B (zh)

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103488098B (zh) * 2013-09-24 2016-08-17 南京航空航天大学 航空发动机控制系统的快速原型仿真方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN116186940B (zh) 2023-10-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111505964A (zh) 航空发动机全实信源半物理仿真系统及试验方法
Martin Development and validation of a civil aircraft engine simulation model for advanced controller design
Hendricks Development of an open rotor cycle model in NPSS using a multi-design point approach
CN108663948A (zh) 一种航空发动机控制系统数值仿真分析平台的设计方法
CN111666648B (zh) 一种航空发动机动态特性模拟方法
Yu et al. Matlab/Simulink-based simulation for digital-control system of marine three-shaft gas-turbine
CN116186940B (zh) 模型实时驱动的航空发动机沉浸式虚拟运行系统
CN114625026A (zh) 一种航空发动机的建模仿真方法、设备及存储介质
Sanghi et al. Survey of advancements in jet-engine thermodynamic simulation
CN111300412A (zh) 一种基于虚幻引擎的控制机器人的方法
CN108345291A (zh) 一种航空发动机控制系统试验装置及方法
Litt et al. Implementation Approach for an Electrified Aircraft Concept Vehicle in a Research Flight Simulator
CN105785791A (zh) 一种超声速状态下机载推进系统的建模方法
CN112257256B (zh) 一种基于稳态数据的发动机简化动态模型设计方法
Perullo et al. Effects of advanced engine technology on open rotor cycle selection and performance
Yarlagadda Performance analysis of J85 turbojet engine matching thrust with reduced inlet pressure to the compressor
Fuksman et al. Real-time execution of a high fidelity aero-thermodynamic turbofan engine simulation
Seefried et al. Multi-domain flight simulation with the DLR robotic motion simulator
Shen et al. Design and Research on Semi-physical Simulation Test System of Aero Engine
CN110309602B (zh) 一种交互式核电站应急机发电机组的仿真建模系统及方法
CN112668162A (zh) 一种基于惯性滑模的航空发动机建模方法
Fuksman et al. Modeling of a Turbofan Engine Start Using a High Fidelity Aero-Thermodynamic Simulation
Dalton et al. An Integrated Approach to Conversion, Verification, Validation, and Integrity of AFRL Generic Engine Model and Simulation
Litt Harnessing the Digital Transformation for Development of Electrified Aircraft Propulsion Control Systems
CN116306360A (zh) 数据驱动的航空发动机三维视景实时渲染系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant