飞机结构数字孪生关键建模仿真技术

飞机结构安全性设计思想经历了从静强度设计、安全寿命设计、损伤容限与耐久性设计到单机追踪的演变,未来有进一步向结构数字孪生的方向发展的趋势。飞机结构数字孪生是数字线程驱动的,多学科、多物理、多尺度、多保真度、多概率的模拟仿真系统,采用在线传感器监测、离线地面检查、飞机运行历史等多源数据,反映并预测对应飞机结构实体在全寿命周期内的行为和性能,有望革新现有的飞机结构使用和维护模式。面向疲劳寿命管理,提出飞机结构数字孪生的5项关键建模仿真技术,分别是载荷和损伤的数据获取技术、多尺度建模和力学分析技术、含裂纹复杂结构的精确高效仿真技术、基于降阶的数字孪生高效建模技术和考虑不确定性与多源异构数据的剩余寿命评估技术,并详细探讨这五项关键技术的研究现状与发展方向,为飞机结构数字孪生的系统研究与工程应用提供参考。     

飞机结构强度静力试验计算机仿真系统的构架与组成

介绍了飞机结构强度静力试验仿真系统的构架和组成部分，试验环境、试验样机和试验过程的仿真是飞机结构强度静力试验仿真系统的组成部分。试验样机的静力学仿真模型足结构静力试验仿真系统准确性和可靠性的关键，除有限元分析方法模型外，提出了基于历史试验数据的特征结构模型。飞机结构强度静力试验仿真系统是一个能够不断积累资源和不断完善性能的结构试验仿真系统，同时也是开发其它飞机结构强度仿真试验系统的软件平台。     

某型民用运输机主起落架连接区结构静力试验

飞机静力试验是飞机试验的重要内容之一,是验证飞机结构强度和静力分析正确性的重要手段。为验证某型民用运输机主起落架连接区结构满足静强度要求,以及有限元计算分析的正确性,在静力试验飞机上进行了主起落架连接区结构静力试验。通过全机有限元模型和细节有限元模型分析计算,进行加载、应力\应变、位移试验数据与有限元计算值的分析对比,计算值与试验数据符合较好。     

基于混合现实技术的民机驾驶舱仿真平台

为了满足民机驾驶舱设计早期多方案对比和快速优化迭代的需求,研发了面向民机驾驶舱的混合现实仿真平台。以实体场景模块、可视化模块和运行逻辑模块为依托, 构建了仿真平台的系统框架; 在此基础上, 研究了高精度动态虚实融合技术, 解决了混合现实平台中操控部件和人的数字孪生问题; 为了验证混合现实仿真平台的可行性和有效性, 在物理驾驶舱仿真平台和混合现实驾驶舱仿真平台开展相同的试验,采用主观评估和客观测量相结合的方法对驾驶舱操纵部件可达性、布局合理性、仪表显示可视性和可读性方面进行人机工效分析, 并将两组试验的试验数据进行对比。试验结果表明,混合现实平台与物理平台的测试效果基本一致,能够为驾驶舱设计早期多方案对比评估提供有效的测试平台。     

面向工业机器人的数字孪生建模精度补偿方法

针对现有工业机器人智能装备建模感知监测精度缺失,依靠理论参数建模精度低等问题,本文以工业机器人铣削系统为研究对象,构建了高精度光栅尺实时测量机器人关节转角的数字孪生监测系统,避免了齿轮间隙、编码器丢码等关节转角误差对数字孪生建模准确度的影响;根据MD–H运动学建模方法建立了数字孪生驱动模型,采用L–M算法对工业机器人建模参数进行辨识修正,减少了机器人数字孪生模型中几何误差的影响;开发了数字孪生交互系统平台,用以监测、控制物理空间的工业机器人铣削系统的作业运动。利用辨识后的机器人关节参数构建的数字孪生模型,使得工业机器人铣削系统运动点位的建模精度从±1.6905 mm提高到了±0.3304 mm,提高了4.12倍,表明本文针对工业机器人数字孪生建模方法的正确性和建模参数辨识方法对建模精度补偿的可行性。     

全尺寸飞机结构静力试验数字仿真

全尺寸飞机结构静力试验是飞机结构研制的重要环节,需大量的财力和时间投人。试验结果的精度和有效性主要依赖于试验实施方案设计的合理性;试验件的安全主要依赖于试验时同步地对试验测试数据的监控和与数字仿真结果的一致性评估。全尺寸飞机结构静力试验数字仿真能够辅助实现上述要求,显著提高试验效率。介绍了全尺寸飞机结构静力试验数字仿真的关键技术及解决方案并给出了应用实例。     

数字孪生技术在航空发动机智能生产线中的应用

为探索采用新一代信息技术加快航空发动机数字化转型升级,分析了数字孪生技术的概念和内涵,论述了数字孪生技术在航空发动机设计、制造和服务等业务领域的应用场景,对智能生产线应用数字孪生技术的实现途径进行了分析和验证。实践表明:数字孪生技术与MBD建模、数字线索、虚拟仿真、数据融合等技术相关联,能够进一步优化车间布局和生产节拍,改善工艺设计,实现生产制造过程的准实时监控和动态调整,有利于提高产品生产质量和生产效率。     

航空发动机燃油系统执行机构故障诊断及验证

研究了基于执行机构模型以及发动机逆模型的发动机燃油系统执行机构及其传感器故障诊断方法.基于发动机半物理仿真试验台试验数据建立执行机构小闭环传递函数模型,通过二次多项式拟合将油针位置转换为燃油流量.提出基于自校正在线训练神经网络算法建立发动机逆模型,以离线训练网络参数初始化在线系统,基于阈值更新网络参数,并对学习速率进行自校正,以提高算法的泛化能力及收敛速度.对比执行机构模型输出、发动机逆模型输出与LVDT传感器测量位移换算得到的燃油流量,基于阈值判断故障状态.在T700涡轴发动机半物理仿真试验平台上进行试验,实现了在发动机额定及各种性能退化状态下,执行机构及其传感器漂移和偏置故障的准确诊断及定位,验证了算法的有效性.     

基于数字孪生的飞机起落架健康管理技术

针对飞机起落架系统，传统健康管理方式存在知识不完备、数据不平衡和模型固化等问题，开展了数字孪生驱动的健康管理技术研究，提出以自更新模型为基础实现故障诊断与预测的数字孪生健康管理框架。从起落架系统物理和行为2个维度建立孪生模型来实现真实系统的数字映射，依托强化学习算法实现数字孪生模型参数的更新，确保孪生模型实时跟踪和反映实体健康状态，并以此为基础设计基于事件的故障诊断和基于粒子滤波的故障预测方案。以起落架收放系统为例完成实验验证，与传统方法相比，本文方法在实时性、准确性和鲁棒性方面表现更优。     

基于RBF神经网络的开关磁阻电机在线建模 及其实验验证

 为了获取开关磁阻电机(SRM)的精确模型,提出了一种基于径向基函数(RBF)神经网络对SRM进行建模的方法,主要包括离线建模和在线建模两部分。离线建模通过实验测量得到SRM的磁链特性曲线,并利用该数据训练RBF神经网络,实现SRM磁链的离线建模;在线建模是指当SRM的运行状态发生变化时,离线模型的估计磁链与实际磁链会产生误差,通过对神经网络的输出权值进行在线调节,实现具有在线动态调节功能的SRM在线模型。为了验证该方法的可行性,针对一台12/8结构的SRM样机进行仿真和实验,结果表明SRM的离线模型和在线模型在仿真和实验条件下均能正确地估计SRM的磁链特性,而且在线模型的估计精度高于离线模型,验证了本文的研究方法合理有效。     

基于模糊积分的航空发动机MTBF动态评估方法

针对传统评估方法无法解决航空发动机可靠性评估的滞后问题,采用模糊积分方法建立航空发动机动态可靠性评估模型.引入故障强度因子,建立降半正态型分布的故障强度因子函数表示故障纠正过程.通过故障强度因子得到模糊密度,采用Choquet模糊积分方法融合发动机各阶段可靠性指标,解决了航空发动机可靠性指标的动态评估问题.对在研的某小型涡扇发动机进行了应用研究,结果表明采用Choquet模糊积分数据融合方法进行动态评估能考虑到不同阶段故障数据的重要性,对发动机当前的可靠性水平能给予更加科学的评价.      

基于数字孪生的无人机状态监测方法

当今无人机产业迅速发展,无人机状态监测对保障无人机的正常运行至关重要。依据数字孪生的构建框架,分别对无人机的物理模型、几何模型、行为模型、规则模型和数据模型方面进行构建,实现了具有实时交互能力的无人机数字孪生模型,从无人机的物理实体、数字孪生体与无人机的数据信息等方面出发,构建了一种实时数据驱动的无人机的数字孪生模型。并依据无人机机翼主梁的光纤应变传感器数据对主梁承受的载荷进行统计,根据雨流计数法成功计算出主梁所受的载荷大小,实现了对无人机状态的实时监测。     

数字孪生车间在复杂产品装配过程中的应用探索

数字孪生车间以数字孪生技术为核心,能有效解决车间内物理空间与信息空间融合的瓶颈.阐述了当前复杂产品装配过程的特点,提出了实作装配体模型的概念,以及包括物理实体层、模型数据层、迭代分析层、协同服务层的复杂产品装配数字孪生车间的整体框架,研究了以装配体修正模型为核心的装配过程调控方法和数字孪生装配车间的运行机制.在此基础上...     

航天器制造领域数字孪生技术的探索与实践

从实现航天器单件、小批量生产质量、柔性、效率同步提升的需求出发,回顾了数字孪生技术的内涵和发展,提出了包含产品孪生-产线孪生的航天器制造系统数字孪生的基础模型和动态演化过程,提出了数字孪生在数据采集、同步建摸、系统评估和生产线重构等技术方面的实现方法,阐述了采用数字孪生的虚实互动机制提升的具体实现途径,并通过航天器产品生产的具体应用验证了有效性。     

残差超复数偶对分解的多光谱和全色图像融合方法

提出一种残差超复数偶对分解的多光谱和全色图像融合方法。用超复数分别对多光谱图像和全色图像的残差图像建模,并对多光谱图像的超复数残差模型沿彩色空间的灰度轴方向分别进行超复数偶对分解,得到包含亮度信息的单部分和包含色度信息的复部分。分析表明用高分辨率全色图像的超复数残差图像来替换低分辨率多光谱图像分解后得到的复部分,可以恢复出高分辨率的多光谱图像的残差,从而实现多光谱图像和全色图像的融合。仿真结果验证了所提方法的有效性,同时验证了该方法不存在人眼可见的光谱畸变。各种现有图像融合评估方法的评估结果表明:该方法优于亮度、色度、饱和度(IHS)、主元分析（PCA）和小波变换的融合方法。     

基于等效理论的蜂窝夹层板强度等效分析

通过采用三明治夹芯板等效方法计算,得到了等效物理参数,建立了三明治夹芯蜂窝板的有限元模型,完成了蜂窝夹层板模型的静力分析和随机振动分析,并对试验样机进行了静力与随机振动分析和试验验证。结果表明:基于三明治夹芯板等效理论建立的有限元模型能够准确反映蜂窝夹层板的静强度特性和结构动特性,静力应变值结果误差小于4%,振动固有频率结果误差小于5%,偏差较小,表明所建模型合理、准确。     

数字孪生及其在航空航天中的应用

数字孪生已引起国内外的广泛重视，可看作是连接物理世界和数字世界的纽带。其通过建立物理系统的数字模型、实时监测系统状态并驱动模型动态更新实现系统行为更准确的描述与预报，从而在线优化决策与反馈控制。本文分析表明数字孪生体相比一般的模拟模型，具有集中性、动态性和完整性的突出特点。数字孪生的发展需要复杂系统建模、传感与监测、大数据、动态数据驱动分析与决策和数字孪生软件平台技术的支撑。在航空航天领域，数字孪生可应用于飞行器的设计研发、制造装配和运行维护。重点讨论了应用机身数字孪生进行寿命预测与维护决策的案例，相比于周期性维护，具有检修次数更少、维护成本更低的优势。最后，给出了数字孪生在空间站、可重复使用飞船的地面伴飞系统中的初步应用框架。     

复材C梁角度偏差对装配静强度影响的建模仿真研究

针对含有角度偏差的复合材料C形梁的典型装配结构,建立了一种研究其角度偏差对装配结构的静载强度影响的有限元模型,设计了含有角度偏差的典型结构的单拉试验以获得最大静载强度的试验数据.在有限元软件ABAQUS中建立了仿真模型,采用基于应变描述的三维Hashin准则预测材料的失效,编写用户材料子程序(UMAT)仿真单拉过程.与试验结果对比验证了模型有效性,为进一步分析复合材料C形梁的角度偏差对其典型装配结构的静载强度影响规律提供了理论基础.     

基于可靠性准则的飞机结构强度验证方法研究

随着航空技术的发展和飞行任务的多样化,传统的结构强度验证方法已不能完全满足新形势下的验证要求。根据结构可靠性分析计算方法,建立基于可靠性准则的飞机结构强度验证方法的计算模型,并利用飞行试验数据,验证飞机平尾结构强度的可靠性满足国军标要求。     

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。