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航空发动机协同研发仿真数据管理技术的应用

2021-12-08 146 上传者：管理员

摘要：本文对航空发动机协同研制过程进行了分析，建立了航空发动机协同研发过程和分模块共性模型，在此基础上，定义了航空发动机协同研发数据组成元素描述文件，并详细介绍了数据组成元素中的数据交换接口描述文件的实现过程，为后续建立更高效的航空发动机协同研发仿真数据管理模式提供了借鉴和参考。

关键词：
共性模型
协同研制
数据交换接口
数据组成
航空发动机
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航空发动机是装备制造业的尖端，其发展水平是一个国家综合国力、工业基础和科技水平的集中体现，是确保国家安全的重要战略装备。传统的航空发动机研制模式主要依赖于经验和试验验证，造成周期长、经费投入多。随着计算科学和信息技术的飞速发展，世界先进发动机国家的研发模式正在从传统的“设计-试验验证-修改设计-再试验”反复迭代的V模式发展为向基于模型的预测设计（双V）模式，该模式对航空发动机产品的协同研制模式及其数据管理方式提出了更高的要求，本文对航空发动机产品协同研制过程中仿真数据管理方式进行了研究，利用数据建模与管理技术在产品设计过程中对仿真数据进行有效管理，缩短产品研制周期，提升产品研制效率。

1、概述

航空发动机协同研制应用起源于20世纪80年代末，当时世界航空产业均面临提高航程及载重量的巨大挑战，波音等航空巨头竭力在机型上推陈出新，而当时发动机的研发速度却远远跟不上飞机机型更新速度。GE公司在此方面展开了大量研究，希望通过彻底改变其产品研发模式，使其航空发动机的研发速度达到质的飞跃。

GE公司结合其多年航空发动机的研发经验，总结出一套完整的协同产品研发制造模型的概念，并应用于GE的所有发动机研发过程中。其重点是强烈关注产品概念设计阶段的研究，做到产品在预发布时已经满足了绝大多数指标要求，并大量使用产品需求和目标系统分解技术以及主模型（MasterModel）技术，达到缩短发动机的研发周期目的。1998年GE针对CAD/CAE/CAT/PDM模型数据及方法进行改进，将其发动机的研发由平均60个月降到24个月。在2000年，在基于某航空发动机母型机变型机研发中，采用并行工程的技术，使研发周期缩短一半，节省50%的研发成本，节省80%的制造成本，工程师只利用原来25%的时间，就完成了20次详细的设计迭代。在随后GE对研发过程持续改进，于2004年将研发周期从24个月降低到18个月。

分析GE公司近30年的产品协同研制技术的发展，其支撑技术就是IT技术的应用，主要表现在以下四个方面：

(1）计算机网络和通信技术：四通八达的网络使集成研发和设计/制造协同成为可能。

(2）主模型(MASTERMODEL)：基于三维实体模型的主模型是并行工程的基础，是设计、分析和制造，甚至包括产品支持等专业之间数据交换所必须的统一的数字化模型。

(3）快速原型仿制技术(RapidPrototyping)。

(4）计算机分析和仿真技术，大量复杂的气体流动过程、复杂的机械运动过程。已经可以利用计算机仿真来加以准确描述，使得物理试验大大减少。

分析上述的二、三、四点，核心技术就是数据管理技术。

2、航空发动机协同研发模型

航空发动机的研发过程中按四个阶段开展，需求及概念设计、初步设计、详细设计以及制造和试验验证阶段。在需求和概念设计阶段可以有技术研究和预先研究两条路线，初步设计阶段以后以产品设计为主。每个阶段都存在分解与设计、集成与验证的过程。具体业务过程描述模型如图1所示。

航空发动机协同研发的每个阶段都可以分解成若干个工具或经验组成的研发模块，这些研发模式中包含一系列的规则和方法，在协同研发过程中研发模块的操作对象各异，但是这些规则和方法是不变的。在统一业务模型的理论支持下，可以将这些研发模块转换为由人机界面、数据、操作（活动）构成的标准模型，实现航空发动机协同研发过程中设计资源的积累、共享与重用，无论是哪类的协同研发模块，模型描述如图2所示。

3、基于航空发动机协同研发的仿真数据管理

航空发动机协同研发过程中会通过协同研发模块的调用，产生多专业数据。具体来说，是通过信息化手段采集的数据，包括在主流各环节中产生的模型、图纸、技术文档等数据，构建基于项目的研发过程数据模型，实现多专业数据的结构化管理，达到数据的合理复用与借鉴。

航空发动机协同研发仿真数据管理包括：数据描述、数据存储、数据技术状态管理、数据对比分析、数据可视化等等功能。数据管理组成元素如图3所示。

航空发动机在设计过程中，要经历不断演进和反复迭代，数据不断更新、完善，方案螺旋式进化，直至结果最终确定。数据统一在数据中心进行存储管理。对航空发动机设计过程中各阶段产生的研发数据，需要通过预先设定的签署流程进行审核批准，才能进入下一个阶段。数据在迭代过程出衍生出不同的版本和技术状态，需要通过版本控制和技术状态管理实现数据的有效管理，而用户可以通过检索或数据的可视化，查看并使用各个版本的数据。不同类型的数据通过标准的数据接口进行交换。由于文章篇幅所限，不详细列举研发数据各个组成元素的实现逻辑，以数据接口为例进行说明。

数据交换接口的功能是确保航空发动机协同研发模块模型在进行多学科/多部件/多维度设计和仿真时，数据能高效、准确传递，同时可以保障系统的开放性和扩展性。由于航空发动机的设计涉及多个学科，多个部件，多个维度，为了在各学科、各部件以及各维度之间进行有效的数据传递，建立了一套完整的数据标准格式规范。各学科、各部件以及各维度仿真时，都以此格式规范输入输出自己的仿真数据，从而保证数据在各协同研发模块中的一致性。

航空发动机数据模型的描述涵盖多专业、多维度，且尽可能完整地收集设计中需要的全面信息，包括数据的物理意义、类型、大小等等，并根据收集到的信息对数据进行分类，尽量保证数据不重复，不遗漏。且在格式规范中预留了扩展空间，便于在今后对格式规范进行必要的修订，且在修订中不会对过去已有的数据造成影响，现存的各个设计计算软件的输入输出文件可通过数据交换接口转换成通用数据文件格式，以便实现各个软件之间的协同工作。将来开发的计算程序，必需以通用数据文件为输入输出文件的格式，以此实现和现存的计算程序的对接以及协同工作。另外，由于设计环境各异，该数据交换接口具备平台无关性，可支持跨平台使用。

数据模型的交换接口用CGNS格式描述，CGNS格式是较为主流的多学科、跨步件、多维度数据交换格式，包括两个基本部分。第一部分是叫做标准接口数据结构（SIDS），详细描述被储存信息的技术内容。第二部分叫做文件映射，定义了所存储的数据在CGNS文件中的确切位置。除了标准格式，CGNS还开发基于此标准格式的应用工具。CGNS文件的读取和写入都是通过ADF（高级数据格式）来完成的。ADF管理一个树状数据结构，并按二进制文件存储。由于文件的格式完全由ADF控制，而ADF又是由标准C语言编写的，这些文件和ADF本身都可以移植到任何支持标准C语言的计算平台。ADF可单独获得，其中包括了一个用于大型科学数据存储的有用工具。

由于ADF本身不具有文件映射内容，为了简化对CGNS文件的访问，提供了一个“中间层程序库”作为软件的第二个层级。一个典型的CGNS数据结构如图4所示。挂接在根“节点”下的是一个存有全局参考状态信息的节点和一系列的计算域节点。图中显示了挂在第一个计算域节点下的节点；类似的，数据库中的每一个计算域节点下都挂有节点。

完整的CGNS数据格式主要包括如下部分：

(1）基本约定。数据结构符号约定、索引约定、多个域连接等内容定义。

(2）块结构定义。数据格式中需要用到的基本数据结构定义。

(3）数组结构定义。数组定义，以及与数据无量纲化相关的各种信息。

(4）层次体系结构。数据格式的总体层次结构定义，还包括版本信息，数据的优先级和有效范围等。

(5）计算结果。多种类型计算结果的结构定义。

(6）多区交界面连接关系。多区连接关系结构定义。

(7）混合数据结构。离散数据定义，如：设计参数、用户自定义数据等等。

通过上述数据模型交换接口的定义，实现了数据交换格式的统一描述，从而实现数据的快速传递和衔接。

4、试验测试数据对仿真数据的校核

目前试验数据主要通过试验测试集成软件进行处理，试验测试集成软件主要包括采集、监视、分析、存储、显示、事件管理、传感器库、数据发布、账号管理、数据发布等功能模块，如图5所示，试验测试集成软件包括标准化设备驱动、专业化试验测试集成、测试数据实时分析、数据采集虚拟化管理四个模块。

标准化设备驱动模块在开发过程中将应用基于GDI的设备接入技术，并使用设备接入组件、工程配置组件、设备自检组件。

专业化试验测试集成模块在开发过程中将应用高精度数据同步技术，并使用试验设置组件、传感器库组件、事件管理组件、数据可视化组件。

测试数据实时分析模块在开发过程中将应用数据实时分析、处理技术，并使用算法管理组件。

数据采集虚拟化管理模块在开发过程中将应用硬件设备虚拟化技术，并使用硬件设备虚拟接入组件、系统控制组件、系统工具组件、数据管理组件、系统日志组件、数据显示组件。

试验测试集成软件是综合技术性很强的系统，经历了分散、集中向综合集成方向发展,在我国产业和产品结构的调整中发挥重要作用。试验测试集成软件当前技术发展的总趋势是综合、开放、集成，即系统的功能应是综合的、结构应是开放的,并应集成在一个系统中。

试验测试集成软件提供前端数据采集端和远程试验监视端两个子系统组成的试验测试集成软件，采用TCP/IP通信协议，实现分布式网络测控中各子系统的数据通信。采用SOA架构技术和模块化设计，实现系统的模块化、可扩展性等特点。提供对外开发接口，满足信息化建设中系统集成需要和二次开发需要，满足不同用户的需求。试验测试集成软件系统通过数据采集计算机读取硬件信息，并实时存储在本地硬盘中。系统对采集到的数据进行运算处理，然后通过网络向各个终端显示器计算机进行分发。

试验测试集成软件现场应用验证的业务逻辑如图6所示。

基于上述业务场景，实现试验数据的采集、处理和导出，同时，基于仿真数据管理系统的EBOM（设计物理清单）和试验测试集成软件的TBOM（试验物理清单），进行仿真数据和试验数据的关联对比，最终实现试验数据对仿真数据的校核。

5、结论

数据作为新的生产要素发挥越来越重要的作用，特别是在航空发动机这类复杂产品研制过程中，数据的有效使用和积累可以直接转化为先进的生产力。构建一套主干刚性、末端灵活、架构统一的航空发动机协同研发系统的关键技术之一就是实现数据的快速的有效流转，通过仿真数据抽象、仿真数据模型定义、仿真数据接口标准化、数据技术状态管理等技术的研究，已初步解决了数据的同一源头和有效流转问题，后续，应进一步对数据的各项技术进行深入研究，实现数据更高质量、高效率的协同与交换。

参考文献:

[1]文必龙,王喜红.基于数据集的数据交换技术研巧[J].科学技术与工程,2011,11(29):123-127.

[2]车成逸,马宗民,焦晓化.基于结构化信息源的本体构建片法综述[J].计算机应用研究,2012,29(7):406-410.

[3]田锋.精益研发2.O[M].北京:机械工业出版社,2016.

文章来源：贺颖,李本旺.航空发动机协同研发仿真数据管理技术研究[J].科学技术创新,2021,(35):98-100.