■ 吳鋒 馮旭棟 徐倩楠 冷林濤 楊彩瓊 / 中國航發(fā)渦輪院

實踐表明，試驗建模與仿真驗證技術(shù)是武器裝備試驗和測試技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。目前，以建模仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的仿真驗證已經(jīng)向虛擬試驗方向發(fā)展。

虛擬試驗就是在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，利用數(shù)字化模型代替實物原型、數(shù)字化分析替代物理試驗，進(jìn)行產(chǎn)品性能的試驗分析。仿真驗證技術(shù)和虛擬試驗適用于武器裝備的采辦過程，包括從系統(tǒng)方案論證到使用訓(xùn)練的各個階段，在降低技術(shù)風(fēng)險、縮短研制周期、降低費用等方面能取得可觀的效益，甚至有些場合可以取代物理試驗，成為武器系統(tǒng)試驗與評價的新途徑。在目前因發(fā)動機研制型號多、試驗任務(wù)重、試驗臺占臺時間長而導(dǎo)致的實物驗證資源不足的多重矛盾壓力下，虛擬試驗顯得非常必要。高空臺是國家戰(zhàn)略性的資源，高空模擬試驗是自主研制先進(jìn)航空發(fā)動機必不可少的重要手段和工具，在高空臺率先開展虛擬試驗技術(shù)研究和應(yīng)用具有牽引帶動意義。

虛擬試驗的定義及范疇

虛擬試驗是指通過數(shù)值/半物理的仿真手段，對試驗對象、試驗設(shè)備和整個試驗流程實現(xiàn)數(shù)字虛擬環(huán)境映射，實現(xiàn)試驗過程的動態(tài)虛擬演示以及試驗結(jié)果的預(yù)估、分析與驗證。從廣義上講，任何不使用或部分使用硬件來建立試驗環(huán)境，完成實際物理試驗的方法和技術(shù)都可稱作虛擬試驗。虛擬試驗源于試驗仿真，但定位卻高于試驗仿真，如圖1所示。虛擬試驗的思想正引導(dǎo)基于經(jīng)驗的傳統(tǒng)試驗?zāi)Ｊ较蚧谥R的綜合試驗驗證模式轉(zhuǎn)變。以虛擬數(shù)字樣機代替或部分代替真實試驗，如同在真實環(huán)境中一樣完成預(yù)定試驗分析，取得的試驗效果等價于在真實環(huán)境中取得的效果。

圖1 實物試驗與虛擬試驗的對比

相比于傳統(tǒng)的物理試驗技術(shù)，虛擬試驗有其自身的特點和諸多優(yōu)勢，它不僅可以作為真實試驗的前期準(zhǔn)備工作，還可以在一定程度上替代傳統(tǒng)的試驗，具體包括：能夠大幅減少甚至避免真實試驗，降低試驗費用和開發(fā)成本；基本不受時間、空間等因素的制約，重復(fù)利用率高，可操作性強；易于改進(jìn)，能夠使試驗者在產(chǎn)品研發(fā)的各階段實現(xiàn)交互式設(shè)計；主要集中在多領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真、虛擬試驗體系結(jié)構(gòu)和虛擬試驗平臺及中間件技術(shù)等方面。

研究虛擬試驗技術(shù)對現(xiàn)實的推動意義

航空發(fā)動機虛擬試驗技術(shù)的研究將對發(fā)動機試驗仿真技術(shù)的進(jìn)步、研制水平的不斷提高以及新興信息技術(shù)的應(yīng)用等方面起到推動作用。

推動發(fā)動機試驗仿真技術(shù)進(jìn)步

目前國內(nèi)仿真技術(shù)僅在發(fā)動機設(shè)計過程中得到了較多的應(yīng)用，但在制造、裝配、試驗、維護(hù)等領(lǐng)域還處于探索階段，無法滿足虛擬化研究需求。以大型復(fù)雜試驗設(shè)備試車臺為例，目前僅對部分控制元件進(jìn)行過理論建模研究工作，對大型復(fù)雜試驗設(shè)備特性建模的研究工作主要是基于通用庫的仿真，而大型系統(tǒng)數(shù)字仿真研究則很欠缺，難以滿足環(huán)境模擬控制的工程需求。針對發(fā)動機試驗過程中的臺架電氣控制系統(tǒng)、燃油控制系統(tǒng)、空氣起動系統(tǒng)，以及氣源空氣處理系統(tǒng)等尚未開展建模仿真研究，無法實現(xiàn)集試驗設(shè)備、控制系統(tǒng)和發(fā)動機系統(tǒng)于一體的虛擬試驗仿真。

開展虛擬試驗技術(shù)研究，形成試驗高置信系統(tǒng)仿真能力和試驗系統(tǒng)專用高精度高維度氣動熱力仿真分析能力，打造能夠分析、預(yù)測試驗過程的虛擬仿真分析平臺。通過項目研究不斷完善現(xiàn)有試驗仿真中存在的不足，補全現(xiàn)有試驗仿真中學(xué)科、維度、尺度、精度等方面的缺陷；通過平臺搭建，全面形成能夠滿足虛擬試驗的試驗仿真能力，形成針對航空發(fā)動機虛擬試驗的專用仿真工具集和試驗仿真分析平臺，推動發(fā)動機試驗仿真技術(shù)進(jìn)步。

推動航空發(fā)動機研制水平不斷提高

虛擬試驗本身源于仿真但又高于仿真，既要解決試驗本身的問題又要解決試驗本身不能解決的問題。物理試驗是特定邊界、特定時間和特定測試的產(chǎn)物；虛擬試驗建立的則是物理與數(shù)值模型的關(guān)聯(lián)，將源于物理試驗的高精度仿真模型用于結(jié)果評估。通過模塊化的映射，虛擬試驗獲得的結(jié)果可以突破原有的邊界、時間和測點，獲取更多維度的數(shù)據(jù)是可能的，為設(shè)計提供的全面反饋支撐是以往物理試驗所難以企及的。最為重要的一點是，虛擬試驗使得對大量不同設(shè)計方案的試驗驗證成為可能，在實物試驗中由于經(jīng)濟成本的約束，要驗證所有的設(shè)計方案是絕不可能的，這一點對于低技術(shù)成熟度和高創(chuàng)新度的設(shè)計來說會顯得十分重要，因為很難用經(jīng)驗去判斷哪個方案更合理，虛擬試驗使得在設(shè)計過程中獲得真正的“次優(yōu)解”方案成為可能。

推動新興信息技術(shù)在航空發(fā)動機領(lǐng)域的應(yīng)用

虛擬試驗技術(shù)研究是集計算機技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)和信息化技術(shù)于一體，因此它本身具有良好的信息工業(yè)基因。在當(dāng)前信息大爆炸時代，計算機能力不斷得到突破，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)與量子技術(shù)不斷融入現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域，航空發(fā)動機領(lǐng)域的全數(shù)字樣機、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字孿生等技術(shù)發(fā)展已成為必然。由于先天優(yōu)勢，虛擬試驗具備了承載這些新技術(shù)的土壤。數(shù)據(jù)清洗與數(shù)據(jù)挖掘決定了仿真模型對物理實體的映射是否精準(zhǔn)，大數(shù)據(jù)應(yīng)用可以找到原有模化過程中的潛在的關(guān)聯(lián)因素；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以使虛擬試驗完美融入研發(fā)體系，形成與設(shè)計制造體系的無縫銜接；人工智能技術(shù)能夠為模型校驗和智能化試驗提供支撐；虛擬試驗的虛擬機本身就是物理試驗的數(shù)字孿生體，它的試驗對象則是發(fā)動機數(shù)字孿生體。虛擬試驗技術(shù)研究就是對先進(jìn)信息科學(xué)技術(shù)融入試驗技術(shù)中進(jìn)行的研究探索，可以促進(jìn)新興技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)應(yīng)用落地。

高空臺虛擬試驗主要技術(shù)難點

本著“物理試驗怎么做，虛擬試驗就怎么開展”的基本設(shè)想，航空發(fā)動機高空臺虛擬試驗需要攻克以下幾個關(guān)鍵難題。

大型復(fù)雜試驗裝置多學(xué)科全狀態(tài)動態(tài)建模與實時求解

高空臺各子系統(tǒng)元件建模是實現(xiàn)發(fā)動機高空模擬虛擬試驗系統(tǒng)仿真與實時求解的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，然而高空臺設(shè)備的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和多學(xué)科特性給系統(tǒng)高精度、通/專用化、模塊化模型的建立帶來了困難，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

一是傳統(tǒng)的建模仿真程序接口單一，通過某一軟件建立的模型缺乏通用性，用戶無法知曉各組件模型的內(nèi)部機理，不同的仿真軟件建模方式不同，存儲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同，所建立的模型難以直接相互轉(zhuǎn)化，需要通過程序間接口或功能樣機接口進(jìn)行聯(lián)合仿真，這給技術(shù)交流設(shè)置了壁壘。

二是在高空臺各子系統(tǒng)模型構(gòu)建過程中很難分別對單個部件進(jìn)行試驗測試，在現(xiàn)有的試驗測試條件下很多子系統(tǒng)特性是融合在一起相互交叉影響的，如何利用已有的測試點數(shù)據(jù)工況分析各系統(tǒng)疊加在一起的影響，進(jìn)行虛擬試驗高置信度模型驗證，增強模型的泛化能力是較大的技術(shù)難點。

三是完整的高空臺試驗設(shè)備有數(shù)萬個部件模型，建模難度極大，同時高空模擬試驗項目多，試驗程序復(fù)雜，使高空臺虛擬試驗系統(tǒng)與真實試驗系統(tǒng)保持良好實時化特性和高精度特性難度極大，因此探索大型復(fù)雜試驗裝置多學(xué)科全狀態(tài)動態(tài)建模與實時求解技術(shù)是開發(fā)高空臺虛擬試驗仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)難點之一。

高空臺虛擬試驗時間管理

高空臺虛擬試驗時間管理的技術(shù)難點主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

一是高空臺各子系統(tǒng)的時統(tǒng)零點不齊。由于高空臺子系統(tǒng)都根據(jù)已設(shè)計好的內(nèi)部邏輯時鐘去驅(qū)動仿真引擎運行，并以高空臺子系統(tǒng)仿真開始時刻的內(nèi)部邏輯時鐘值作為子系統(tǒng)仿真的時統(tǒng)零點，所以會導(dǎo)致各仿真子系統(tǒng)開始時刻的時統(tǒng)零點不齊。

二是高空臺子系統(tǒng)仿真推進(jìn)不同步。各高空臺子系統(tǒng)根據(jù)實時性約束的要求，系統(tǒng)仿真步長也不一致，如果兩個仿真系統(tǒng)內(nèi)部邏輯時鐘的定時間隔、時統(tǒng)輸出時序誤差導(dǎo)致各子系統(tǒng)仿真推進(jìn)不同步，可能會造成仿真時間的因果關(guān)系出現(xiàn)混亂。

高空臺試驗數(shù)據(jù)驅(qū)動的“試驗對象”校準(zhǔn)與模型嵌入

試驗對象模型是高空臺虛擬試驗不可或缺的組成部分。在實際情況中，因技術(shù)能力、知識產(chǎn)權(quán)等客觀因素，難以得到高空臺試驗對象模型，或獲得的試驗對象模型精度難以滿足工程應(yīng)用需求。目前主要有兩種不同的方法構(gòu)建高空臺試驗對象模型。

一種是機理建模方法，也稱為部件法。該方法先根據(jù)已知部件氣動熱力學(xué)特性和典型部件特性數(shù)據(jù)計算試驗對象各截面的狀態(tài)參數(shù)，然后針對不同工作狀態(tài)根據(jù)流量連續(xù)、功率平衡/轉(zhuǎn)子動力學(xué)建立發(fā)動機共同工作方程組，最后利用數(shù)值計算方法求解非線性方程組以獲得發(fā)動機工作參數(shù)，該方法首先需要獲取試驗對象部件特性。

另一種是辨識建模方法。該方法需要首先獲得試驗對象的試驗數(shù)據(jù)，然后采用系統(tǒng)辨識的方法得到試驗對象數(shù)學(xué)模型。隨著系統(tǒng)辨識技術(shù)迅速發(fā)展，發(fā)動機辨識建模方法已由傳統(tǒng)的插值法、動態(tài)系數(shù)法向新型機器學(xué)習(xí)算法方向發(fā)展，但是試驗對象所有工作狀態(tài)下的試驗數(shù)據(jù)難以全部獲得且成本較高，限制了辨識建模方法在被試對象建模中的應(yīng)用。

因此，如何利用已有的高空臺試驗數(shù)據(jù)，構(gòu)建高置信度的高空臺試驗對象模型并實現(xiàn)聯(lián)合仿真是亟待解決的問題。

高空臺虛擬試驗技術(shù)研究

在多年高空臺試驗仿真技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，中國航發(fā)渦輪院提出了針對高空臺虛擬試驗的基本構(gòu)想。航空發(fā)動機高空臺虛擬試驗的整體框架主要包括適用于航空發(fā)動機高空臺虛擬試驗的仿真模型庫、軟件、樣機和具體應(yīng)用，如圖2所示。模型庫包括系統(tǒng)仿真模型、高階仿真模型、物理模型和其他模型。不同模型可構(gòu)建不同的模型庫，模型庫是實現(xiàn)虛擬試驗的基本單元。配套軟件包括實時運行平臺、中間件、可視化模塊、數(shù)據(jù)分析軟件、結(jié)果計算處理及環(huán)境等，軟件使虛擬樣機能夠高效協(xié)同運行。樣機包括虛擬樣機和物理樣機兩部分，虛擬樣機是一個數(shù)字樣機，物理樣機對應(yīng)實物設(shè)備，二者的運行原理和工作流程是一致的。應(yīng)用包含離線和在線兩種應(yīng)用模式，離線模式主要是流程組織和聯(lián)合仿真驅(qū)動等，在線模式可用于試驗仿真、通信管理和過程管控等。

圖2 航空發(fā)動機虛擬試驗的整體框架

在對整體框架的具體實現(xiàn)上，經(jīng)過摸索實踐，渦輪院目前已經(jīng)形成完全自主的模型庫2套、高空臺動態(tài)聯(lián)合仿真軟件1套，如圖3所示。同時搭建的高空臺氣路模型能夠滿足工程實用對氣路節(jié)點關(guān)鍵參數(shù)穩(wěn)態(tài)偏差和瞬時連續(xù)動態(tài)偏差的需求，在大于10h時間的連續(xù)動態(tài)仿真測試下達(dá)到了令人滿意的結(jié)果。后續(xù)，高空臺虛擬試驗技術(shù)研究的發(fā)展將著力航空發(fā)動機技術(shù)研發(fā)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型：夯實虛擬試驗基礎(chǔ)支撐技術(shù)，建立能夠支撐航空發(fā)動機整機、零部件試驗的高精度復(fù)雜多學(xué)科耦合仿真模型，著重研究智能仿真方法、虛擬試驗平臺、虛擬試驗環(huán)境構(gòu)建等技術(shù)；將先進(jìn)信息技術(shù)與試驗技術(shù)相結(jié)合，運用先進(jìn)信息技術(shù)打造具有深度學(xué)習(xí)能力的虛擬試驗綜合應(yīng)用集成平臺，將先進(jìn)信息技術(shù)與試驗技術(shù)結(jié)合，提高虛擬試驗的可視化和高協(xié)同能力；促進(jìn)虛擬試驗應(yīng)用技術(shù)推廣，大力發(fā)展虛擬試驗應(yīng)用技術(shù)，及時形成虛擬試驗相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，廣泛進(jìn)行技術(shù)推廣，促進(jìn)新興試驗技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)應(yīng)用落地。

圖3 模型標(biāo)準(zhǔn)化與聯(lián)合仿真

結(jié)束語

結(jié)合試驗實際開展高空臺虛擬試驗技術(shù)研究，開展持續(xù)的應(yīng)用驗證，既能提升試驗本身“真”“準(zhǔn)”“效”“智”能力，又能在研發(fā)體系中為發(fā)動機數(shù)字孿生的實現(xiàn)打下堅實的試驗基礎(chǔ)，對整體推動研發(fā)體系的完善和進(jìn)步有著十分重要的意義。