航空发动机数字化协同平台建设

从航空发动机的产品设计、工艺规划到产品制造是一个紧密联系的业务过程,我国航空发动机行业的特点是设计和制造分别由不同的单位来完成,并且各自有一套不同的管理方式和系统环境,为了保障研制过程的顺畅,实现对产品的全生命周期管理,建立产品数字化设计／制造协同平台是完全必要和必需的.     

面向智能制造的航空发动机协同设计与制造

智能制造技术是在信息化、数字化、网络化基础上,将人工智能引入制造理论及生产运行过程中,形成以存储、计算、逻辑、推理为特征的机器智能所驱动的产品制造技术.目前,统一模型驱动下的协同研制已经成为航空发动机产品研制的未来发展模式.在此背景下首先分析航空发动机产品研制的现状,从基于模型的数据集成、基于工艺系统协同的智能加工技术、基于CoE模式的组织协同、工业大数据驱动下的过程协同和基于CPS的协同优化等方面探讨了智能制造环境下协同设计制造发展趋势,为航空发动机协同研制技术的发展提供了有益的参考.     

商用航空发动机智能制造研究与探索

为了推进航空发动机智能制造,通过分析其本质和特点,研究国外航空发动机智能制造的实践与发展趋势,及中国商用航空发动机行业智能制造的现状与内、外部挑战。认为推进商用航空发动机智能制造的关键是构建产品、生产和业务 3 个维度高度集成的智能制造生态系统。针对商用航空发动机行业特点和技术、管理现状,提出构建基于模型的企业、实施基于模型的系统工程、推进大数据应用、建立智能制造标准体系,以及开展试点、示范项目建设等是推进商用航空发动机智能制造的重点。     

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。     

厂所间异地数据发布技术研究

本文将根据我国航空发动机行业数字化技术应用的现状,采用TCUA产品数据管理系统(PDM)来搭建支持航空发动机异地协同设计制造的协同工作平台,研究其中异地数据发布功能、EBOM异地数据发布组织结构、数据发布更改流程等支持航空发动机异地厂所间数据发布关键技术,为构建满足新一代航空发动机研制需求的数字化协同平台提供技术保障。     

我国航空发动机数字化设计/制造/管理技术现状及其发展

针对新一代发动机研制、高新工程批生产任务,开展多厂所协同数字化设计/制造/管理技术研究,建立数字化设计/制造/管理协同技术体系和应用系统,全面推广应用该项技术,对提高我国航空发动机研制能力,进行技术创新,促进航空发动机行业跨越式发展必将起到重要的作用     

面向航空发动机的质量数据及管理体系结构的分析研究

航空发动机质量的好坏直接影响飞机飞行的可靠性,本文研究了航空发动机全寿命周期过程中产生的各种质量数据;为了有效集成和共享数据信息,以发动机的组成要素为依据,对数据信息进行分类分析,并将质量信息分为产品类、组件类、零件类;最后建立了质量数据信息系统体系结构,实现了航空发动机质量数据从采集、分类、传递到共享达到集成化的管理。     

信息技术在航空发动机设计体系集成平台建设中的应用

设计体系是航空发动机设计经验的总结归纳和深化结晶。其集成平台的全面应用,将有助于科研工作的层次清晰化、设计协同化、管理规范化及质量精细化,推进科研水平上升一个新的台阶。阐述了充分利用现代信息技术,融汇自主创新研制思路,以设计规范和数字化设计流程为依据,以专业技术设计软件为基本元素,以工程数据库为支持,利用集成技术建立支持多专业协同、信息共享的以数字化为特征的发动机设计体系,初步建造了一套融发动机设计、仿真、优化等于一体的综合集成平台,为航空发动机设计体系建设奠定基础。     

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。     

数字化制造技术在航空发动机产品中的应用研究

航空发动机零部件数字化制造技术涉及CAD/CAM技术、数控设备、产品数据管理、信息集成等诸多技术内容,其核心是产品数据的数字化表达、存储和交换,基本平台是计算机网络、数字化设备,基本方式是协同、并行和集成。     

航空发动机制造工艺仿真技术体系探索

基于航空发动机仿真工作发展规划,从制造维度对仿真技术的应用需求进行了深入分析。提出了构建航空发动机制造工艺仿真技术体系的思路和建设原则,基于5个环节的应用需求提出了仿真技术体系的初步框架,并对当前需要加快突破的仿真关键技术进行了分析,推进航空发动机制造工艺仿真技术发展和规划的落地。     

压气机叶片安装板内侧面自动化磨抛加工

针对压气机叶片安装板的自动化磨抛加工,基于北航提出的自动化磨抛加工工艺开展了应用研究。结合叶片安装板区域复杂曲面或结构特点,通过对磨抛轮的粒度优选、磨抛过程的优化以及接触压力的调整,实现了磨抛精度及表面粗糙度符合设计要求的攻关目标。试验结果表明:磨抛后表面粗糙度Ra在0.4μm以下,去除量在0.03mm以内,实现了替代手工磨抛的目的。在磨抛效率上也实现了与多台数控铣的节拍匹配,在200件叶片试制过程中磨抛工艺系统稳定,拟将该技术广泛推广应用于压气机叶片的研制和生产中。     

航空发动机研制中的技术验证机、工程验证机及原型机特点分析

为加强航空发动机产品的研制进程管控,通过分析技术验证机、工程验证机及原型机的技术特点,提出这 3 类样机是集中体现产品研制进程的载体,进而研究并建立各样机的研制过程模型,并且依托研制过程模型分析各样机的研制特点及研制成果。该项工作明确了各样机的工作内容及其实现途径,以及 3 类样机之间迭代演进、逐步实现产品开发的过程,对加强发动机产品研制过程管控、提高研制质量和效率具有重要意义。     

机器人磨抛氧化锆涂层工艺研究

使用搭建的机器人自动磨抛平台系统,针对氧化锆热障涂层磨抛工艺开展了研究,旨在通过机器人磨抛加工对涂层厚度及表面粗糙度进行合理控制,提高涂层表面质量。基于Preston理论建立了氧化锆涂层材料的去除模型;通过单因素试验研究了主要磨抛参数对材料去除深度的影响规律,基于正交试验确立了氧化锆涂层材料磨抛最优工艺参数组合和工艺步骤,对航空发动机喉道密封片氧化锆涂层进行了磨抛加工。试验结果表明,在一定范围内,材料去除深度随着磨抛压力及磨抛盘转速的增大而增大,随着进给速度的增大而减小;磨抛压力对材料去除深度的影响较大,磨抛倾角对去除深度的影响较小。机器人磨抛系统采用力控方式实现了定量均匀去除,涂层厚度和表面质量一致性良好,加工效率显著提高,同时也验证了本机器人自动磨抛系统的实用性和优越性。     

复合材料飞机机身工装模具一体化设计及验证

针对RX1E复合材料轻型飞机一体成型、胶结连接为主的工艺特性,进行了工艺方案的总体设计,包括装配顺序的确定和装配工装基准的选择等。其次,进行了一体化工装的结构设计,细化了制件模具的成型方案和结构零件的定位夹紧形式。最后,重新进行了尾翼、阻力板等较小部件制造,对一体化工装的实际使用进行了验证,类比分析了工装模具一体化的方案在复合材料结构轻型飞机机身上的技术可行性和先进性。研究成果可为复合材料飞机工装提供设计思路和参考。     

偏流板对发动机进口温升影响研究

为研究偏流板升起条件下发动机进口温升的变化,采用计算流体动力学的方法,计算了不同的发动机推力状态、偏流板板位角、偏流板与发动机距离对流场和发动机进口温升的影响。结果表明:在偏流板升起时,随着发动机推力状态的升高,发动机进口温升逐渐增大;随着板位角的增大,高温燃气沿甲板向发动机进口方向扩散范围越大,进口温升逐渐增大;在相同发动机推力状态和板位角时,增加偏流板与发动机距离可显著减小发动机进口温升。     

GLARE层板低速冲击的实验与模拟

研究玻璃纤维增强铝合金层合板(glass fiber reinforced aluminum laminates,GLARE)在落锤低速冲击下的材料行为,建立ABAQUS有限元模型进行模拟并对其进行实验验证。针对纤维金属基体材料的特点,采用连续损伤模型(continuous damage model,CDM)分别给予落锤6.22 J、12.38 J和14.46 J的冲击能量,在ABAQUS中对模型设置相应的边界条件和载荷,得出落锤下落方向的速率-时间曲线和能量损耗曲线图。考虑金属层与复材层间黏结层的作用,采用凝聚层(cohesive)将金属层和复合材料层粘接。在仿真中观察层间的纤维和基体拉伸和压缩损伤状态及破坏情况,并与实验得出结果进行对比。结果显示:有限元仿真可以准确模拟落锤冲击之后GLARE板背面的裂纹和鼓包的实效情况以及基体和纤维的损伤情况,很好地预测复合材料内部的损伤情况。     

适应弯扭隔肋的涡轮叶片转接段建模方法

针对涡轮冷却叶片弯扭冷却通道转接段的特点,提出了关联的转接段建模方法,通过曲线网格法生成工具片体裁剪叶身内型实体得到转接段,并以此为基础完成转接段建模,满足转接段与弯扭隔肋G1光滑转接的要求。详细分析了该方法的原理;提取了关键参数;利用UG(Unigraphics NX)二次开发平台开发了转接段的参数化建模模块,实现了适应弯扭隔肋的转接段建模。     

低压涡轮导叶内环结构设计

为实现低压涡轮导叶内环初步方案快速设计、降低低压涡轮工作叶片冷气相对总温和提高冷却效率,以某型低压涡轮导叶内环为研究对象,提出了 1 种基于等熵过程的低压涡轮导叶内环设计方法和流程,并采用 3 维数值仿真方法对设计结果进行了分析和验证,得到了不同预旋喷嘴径向高度对转、静子腔内的流动影响规律。结果表明:提出的低压涡轮导叶内环设计方法和流程能够满足初步方案的设计要求;预旋喷嘴的径向高度对工作叶片和涡轮盘表面的相对总温影响较大,工程上需综合考虑。     

航空发动机转子工作弹性线测试及应用研究

基于三维全息谱思想,利用计算机图形学方法,研究航空发动机转子工作弹性线测试及可视化技术。在高速动平衡试验机上,针对航空发动机真实高压转子进行转子弹性线测试和可视化研究,分别在不同平衡状态下测取了转子工作弹性线,实现了转子弹性线的动态显示。研究表明,转子不平衡量对转子工作弹性线的大小和形状具有重要影响,转子弹性线测试与可视化技术可作为转子平衡状态的有效评估方法和手段。