模型实时驱动的航空发动机沉浸式虚拟运行系统

为实现多学科信息的融合与沉浸式表达,针对当前虚拟现实技术在航空发动机领域的应用存在多学科信息综合表达不 足、仿真实时性低等问题,开发了一种跨学科异构模型集成仿真的航空发动机沉浸式虚拟运行系统。在信息融合与实时交互方 面,研究航空发动机气动热力性能实时仿真、实时控制、参数化结构建模与仿真、数据实时共享与多学科联合仿真集成等技术,实 现了模型实时驱动的航空发动机虚拟运行功能;在数据可视化及3维渲染方面,研究结构数据轻量化处理技术、实时渲染优化技 术,对温度、压力等流场数据进行实时映射,实现了逼真、流畅的沉浸式实时渲染效果。基于上述研究工作,在中国首次开发了1 套由模型实时驱动、跨学科数据集成的航空发动机沉浸式虚拟运行系统,结果表明：该系统实现了发动机结构、系统和性能模型数 据的关联与交互。相关技术和成果可用于协同设计、沉浸式评审、虚拟培训等场景,为未来实现数字孪生、虚实融合的数字发动机 研发提供关键技术支撑和参考。     

基于WEB的固体火箭发动机集成设计平台

为满足固体火箭发动机设计过程对集成的需求,开发了一个基于WEB的发动机集成设计平台,提出了采用J2EE技术构建基于WEB的集成设计平台方案,建立了集成设计平台体系结构,分析了体系结构中每一层内涵,重点对集成平台功能框架层进行了详细分析,给出了基于J2EE的平台软件实现方案。平台实现了发动机设计过程中应用集成、信息集成和过程集成,能够支持优化设计和分布式设计人员的协同工作。通过在某翼柱型装药固体火箭发动机设计中的应用实例表明,该平台能够有效提高设计效率和质量,显著缩短设计周期。     

固体火箭发动机方案集成设计方法研究

讨论了用基于知识的设计系统实现固体火箭发动机方案集成设计，论述了基于知识的设计系统的特点、结构。结合固体火箭发动机的方案设计特点，提出面向对象的知识表达方法和知识表达语言及其基于知识的设计系统的推理机制。     

航空发动机性能与二次空气系统的耦合仿真模型

提出了一种航空发动机整机全流域零维仿真方法。该方法采用模块化建模的思想,集成并实现了发动机过渡态总体性能模型与空气系统模型之间的动态数据交互和耦合求解,基于面向对象的技术开发了模块化的仿真程序,以某涡扇发动机的核心机为对象建立了仿真算例,模拟并分析了过渡过程中空气系统各引气、汇流支路的动态变化及其对发动机总体性能参数的影响。结果表明:发动机主流道与内流空气系统的动态交互作用虽然并不会显著影响发动机过渡过程总体性能参数,但却足以造成空气系统各局部支路显著的非均衡响应,这是现代高性能航空发动机精细化设计中不应忽略的因素。      

基于流体网络拓扑的航空发动机及燃气轮机整机性能建模方法

为了快速、灵活、自由地搭建航空发动机及燃气轮机不同构型整机性能仿真模型,提出了一种基于流体网络拓扑的发动机整机性能仿真模型方案。从发动机部件及整机性能模型建模基本原理出发,在现有面向对象的部件性能建模及通用仿真系统总体框架基础上,采用迭代变量和平衡方程组与发动机部件模型和部件模型计算顺序相关联技术,建立了适用于不同航空发动机和燃气轮机类型的稳态性能仿真模型,并将该模型计算结果与成熟的商用仿真软件计算结果进行了对比分析。结果表明：该方案、模型可以实现发动机计算模型/拓扑自动构建,以及迭代变量与平衡方程组自动构建,提高了仿真系统的适用性。     

航空发动机数值仿真试验台建立中几个关键技术问题的讨论

本文主要讨论航空发动机数值仿真试验台建立中几个关键技术问题 :发动机数值仿真试验台建立的目标与基本要求 ;发动机三维多功能数值仿真数学模型、精度可靠性与并行算法 ;部件与发动机数值仿真试验台集成软件包 ;发动机仿真软件平台的框架 ;发动机三维数值仿真硬件系统。只有系统解决上述六个问题才能顺利建立这一仿真试验台。     

基于试验数据的发动机部件串行协同仿真方法

为探究整机与部件仿真数据和测试数据的匹配性，基于MATLAB/SIMULINK、Python和通用商业CFD软件，开发了数据驱动的部件串行协同仿真技术，主要由航空发动机整机的集成仿真平台和部件串行协同仿真平台组成。其中，集成仿真平台采用模块化的方法对发动机部件建模，结合共同工作方程及边界约束条件，实现了发动机整机和部件特性的迭代模拟；发动机部件串行协同仿真平台采用自编程序结合底层求解程序，提出了重叠区域的交界面数据传递与处理方法，实现了部件间的串行仿真和边界迭代求解，完成了零维、三维仿真的耦合求解过程。以某小型涡喷发动机为研究对象，基于已有试验数据进行案例验证，计算结果最大误差不超过5%，表明集成仿真平台与串行协同仿真平台的准确性及工程应用价值。     

航空发动机EngineCAD微机集成系统的开发与研究

本文介绍在航空发动机研制与改型设计阶段中采用最新技术的EngineCAD微机集成设计系统。该系统可以实现对涡喷、涡扇、涡轴和涡桨航空发动机部件图和总图的参数化实时设计,在参数化设计过程中提供发动机信息数据库、结构数据库的交互式查询,为设计提供所需的信息、数据和结构图形支持,可达到快速地生成供方案论证应用的各种航空发动机部件图、总图及各种信息,能快速实现多方案对比设计。      

航空发动机自适应逆控制研究

将自适应逆控制方法应用于航空发动机控制系统中,用横向滤波器实现了发动机的建模和逆建模,设计了发动机转速自适应逆控制系统。针对系统存在的稳态误差,提出了带积分环节的发动机自适应逆控制结构,提高了系统的稳态精度。飞行包线内的数字仿真结果表明,自适应逆控制方案精度高、跟踪快、鲁棒性较强。      

航空发动机装配MES系统设计

介绍了近年来MES技术的发展趋势,分析了航空发动机装配业务特点及装配业务生产方式,并针对性地进行了装配MES系统的设计。针对装配MES系统的核心功能,提出了基于网络图技术的发动机装配、分解过程管理方案和基于集成模式的发动机实物技术状态管理方案。     

分布对象计算中分布实时对象设计与实现

在以CORBA为基础的分布对象计算平台上,进行分布实时对象技术研究。采用设立对象引用请求及请求应答过滤器的方法,设计和实现了基于分布对象方法引用的实时任务调度机制,为满足分布交互仿真等应用的实时需求提供了良好的支持,也为扩展面向对象分布中件的实时功能提出了一种通用的解决方案。     

涡扇发动机机载自适应建模技术研究

本文研究用涡扇发动机可测输出参数偏离变化来表征发动机的非额定工作特性,将它们做为增广的状态量,设计卡尔曼滤波器进行最优估计,将这些估计值用于修正对发动机不可测参数和性能量的计算,以形成机载自适应模型。仿真研究表明,采用该方法建立的机载模型对性能蜕化所致的发动机非额定工作具有很好的适应能力。      

涡轴发动机/直升机综合控制仿真平台设计

建立了UH-60直升机/T700涡轴发动机综合控制数字仿真平台。基于VC++环境开发了包含UH-60直升机/T700涡轴发动机综合实时模型的上位机程序,与运行机载涡轴发动机+旋翼实时模型及在线优化控制模式的下位机程序。两者基于TCP/IP协议实时通讯,可进行模拟实际直/发综合优化控制的数字仿真实验。在该数字仿真环境下,分别给出了提高直升机常规飞行性能的多种优化控制模式仿真、变旋翼转速优化控制以及快速功率跟随控制模式仿真,充分表明该平台可为新一代直/发综合系统的开发研制提供一个可靠的前期数字仿真验证。     

小型涡扇发动机分布式控制系统总线触发机制研究

为分析比较2种总线触发机制(时间触发和事件触发)对航空发动机实时控制的影响,以某小型涡扇发动机为对象,采用智能节点型分布式结构,构建了其分布式控制系统数字仿真平台;利用True Time/Matlab工具箱展开网络实时仿真研究,系统各节点通过CAN总线进行数据通信。以此仿真平台为基础,对2种触发机制下发动机的转速响应以及对应的时延统计结果表明:在事件触发机制下发动机转速超调量比时间触发机制下的大2.32%;在不同网络负载下,在事件触发机制下的时延大小和尖峰数均大于在时间触发机制下的。最终认为时间触发机制更适合于航空发动机分布式控制系统。     

新一代歼击机超机动攻击的智能控制及实时分布式三维动画仿真研究

新一代歼击机超机动飞行性能具有很高的战术价值 ,开发这种价值对空战的胜利具有重大意义。本文研究了超机动攻击的智能控制方法和实时分布式三维动画仿真技术。采用 3个三层BP网络重构了超机动飞行控制系统 ,应用“论域及增益在线自适应调整”的模糊控制规则设计了火 /飞耦合器 ,并提出了超机动攻击的实时分布式三维动画仿真方法 ,构造了实时分布式三维动画仿真平台 ,仿真结果逼真、直观、有效。     

具有积分限制的单神经元PID控制算法

提出了一种抗积分饱和的变参数PID单神经元二次性能寻优算法.在 PID结构简单的基础上,兼有神经元自适应修正能力和二次性能寻优的特点,当积分出现饱和时,通过控制逻辑自动抑制偏差的积分,从而提高了变参数PID算法的鲁棒适应性.以某双轴发动机喷口为被控对象,对模型参数以50%的变化进行了控制性能的仿真.结果表明:变参数PID单神经元二次性能寻优算法具有较强的鲁棒稳定性和鲁棒性能,动态过程的最大超调量被抑制在5%以内,动态调节时间仅为0.6s.所提出的性能寻优PID算法可以满足航空发动机的控制需求.      

非加力发动机加速过程数学模型简化法

建立一个能够实时模拟航空发动机的数学模型,在保证足够快速性的前提下,首先要保留发动机内部最本质的物理关系,其次要使模型直接逼近发动机特性。为使模型可以描述不同飞行状态下的稳态和过渡态特性,在建立实时模型的过程中,要运用发动机各状态下的相似参数。对双转子涡轮喷气发动机,只考虑涡轮和压气机这一储能元件,忽略部件间的容积和热惯性等动态因素。将双转子发动机看作两个相互关联的动力学过程,其转速增量是剩余转矩的积分。以此为核心,注意到在稳态情况下换算转速和换算供油量之间满足一定的函数关系,根据文献[1]中的单转子发动机的数学模型,结合对双转子发动机在各种状态下加速过程的分析,同时考虑到双转子发动机的高、低压转子转差在不同状态下对发动机动态特性的影响,提出如图1所示的数学模型。      

航空发动机数控系统通用仿真和开发平台的构筑

通过研究提出了一种集航空发动机数字控制系统设计、发动机调节计划和控制规律研究、控制系统软件开发、软件集成测试，以及控制器全功能检查为一体的通用仿真平台的设计构想。并对该高综合、多功能发动机通用仿真平台作了进一步的阐述。     

面向对象的航空发动机控制系统仿真

在面向对象的发动机性能仿真平台基础上,建立了1个通用的航空发动机控制系统仿真平台;利用此仿真平台,构建了某涡扇发动机的高压转速阶跃控制系统,整定了全包线内PID控制器参数,并模拟发动机超温、超压、超转状态进行了仿真。仿真结果表明:高压转子阶跃响应能在保证不超温、不超压、不超转的前提下,达到了调节时间小于1 s,超调量小于5%的性能指标。     

涡扇发动机故障诊断硬件在回路实时仿真平台

硬件在回路仿真是发动机故障诊断算法由理论转向实际工程应用的重要阶段,但目前航空发动机故障诊断算法的研究多数处于软件数字仿真阶段。构建民用涡扇发动机故障诊断算法硬件在回路实时仿真验证平台,开发考虑健康退化的民用涡扇发动机多维调度分段线性化模型,分析并模拟仿真民用涡扇发动机的四类典型常见故障。经过对相关诊断算法进行实验验证,表明该平台及使用的模型和方法都是行之有效的,具有一定的工程使用价值。