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中国航发跨越发展时代的数字化工具需求与同元软控解决方案

数字化时代来临,世界顶尖航发制造商争相引入研发、制造、运维等环节数字化工具,以期缩短研发周期、降低运维成本,作用如同“锦上添花”;中国航空发动机正处于向自主研发迈进的跨越发展时代,研发能力建设与型号研制并行,数字化工具更应“雪中送炭”,发挥补全研发能力短板、解决工程实际问题等现实作用。同元软控MWorks全面支持基于模型的系统设计与仿真验证,助力国产航发研发。

中国航空发动机的跨越发展时代

伴随着以太行发动机、玉龙发动机为代表的一批国产航空发动机投产装备,中国航空发动机研发能力迈上了新的台阶,长期困扰我国空军装备发展的“动力卡脖子”问题初步得到了缓解。着眼未来,为满足新一代军用飞机平台及C919、CR929等国产大飞机的动力需求,新一代军用航空发动机、长江1000商用发动机等型号研制工作正在加快推进,中国航空发动机产业正处于史无前例的跨越发展时代。

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图 | 太行发动机
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图 | 玉龙发动机

航空发动机行业的数字化工具需求

航空发动机被誉为现代工业“皇冠上的明珠”,需要在高温、高压、高转速的复杂恶劣工况下长期稳定工作,为此往往应用最先进的设计技术、制造工艺与材料,技术难度大、资金投入高、研制周期长,技术门槛极高。事实上,即便是英国罗罗公司这样底蕴深厚、技术实力雄厚的国际航发巨头,在已有成熟型号的基础上改进研制遄达1000发动机,仍长期受到中压压气机叶片断裂、中压涡轮叶片腐蚀等问题的困扰,航空发动机研制难度之大可见一斑。

对于航空发动机这样的复杂系统,世界顶尖航发制造商普遍遵循系统工程研制思想。航空发动机的工程研制可以大致划分为需求、设计、制造装配、验证等4个阶段。其中,设计阶段又可以细分为(整机及部件/系统)方案设计和底层的零部件/成附件设计2个环节,验证阶段又可以细分为底层的零部件/成附件测试、(部件/系统及整机)集成测试2个环节。大量实践统计表明,70%的设计错误在方案设计环节被引入,而80%的问题在集成测试环节被发现。减少设计错误有赖于设计水平和设计经验的提升,而问题的充分暴露则需要开展充分的、系统性的集成测试,并确保问题在更低的层级、而非整机上暴露。

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顺应数字化浪潮,GE、罗罗等世界顶尖航发制造商逐步在设计、制造装配、验证及交付用户后的运维阶段引入数字化工具,以提升研发效率、供应链管理水平,降低研发与用户使用成本。目前来看,这些举措属于对原有研发流程的“数字化提升”,而非“颠覆再造”。如GE公司的“数字孪生发动机”、罗罗公司的“数字发动机”,均重点着眼于服务运维阶段,实现故障诊断、寿命预测、趋势分析等在翼健康管理功能,以降低运维成本。之所以如此定位数字化工具,主要是世界顶尖航发制造商经过多种型号研制历练,航发工程研制流程已彻底打通并接近炉火纯青,已有的完善的研发流程足以保证设计、验证等各阶段工作完整且规范,表现为方案设计阶段被引入的问题更少,通过系统性、规范化的验证确保更多的问题在早期的集成测试阶段而非整机集成阶段暴露,从而保证了研发周期和研发成本的可控。

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中国航空发动机——数字化工具需求的异与同

与世界顶尖航发制造商相比,国内航发型号研制经验有限,大涵道比商用发动机研制此前更是空白,总的来看尚未完全打通航空发动机自主研发的完整流程,研发能力建设与型号研制并行在现阶段仍是常态。研发经验与研发能力的不足,往往意味着在方案设计阶段有更多的设计错误被引入。而在集成测试阶段,实物试错模式的成本高昂,同时由于分层级测试的覆盖率不足,更多的问题集中在整机集成阶段暴露或用户使用阶段暴露,对型号研制及用户正常使用产品造成影响。事实上,上述问题也是造成国内航空发动机研制进度滞后的主要原因之一。

基于国内航空发动机行业研发经验与研发能力相对不足的现状,国内航空发动机行业对数字化工具的需求应当聚焦设计端与验证端,着眼于提升研发能力、解决实际问题,发挥 “雪中送炭”的作用。面向设计端的数字化工具重点需求在于,构建航空发动机自主研发流程,打通贯穿其中的全部研发要素,确保“做正确的事”;面向验证端的数字化工具重点需求在于,实现部件/系统乃至整机的功能建模与集成仿真,改变单纯依赖实物试错的模式,在风险可控和时间/经济成本可行的前提下实现设计方案的充分验证和问题的充分暴露,提高验证的覆盖率和有效性,确保“正确地做事”。

同元软控数字化设计与验证解决方案

面向航空发动机等复杂多领域系统的设计与验证环节,苏州同元软控信息技术有限公司依托国际多领域统一建模规范Modelica,历经20年的技术积累与持续投入,研发了系统设计与验证平台MWorks。MWorks采用基于模型的方法全面支撑系统设计,通过不同层次、不同类型的仿真来支撑系统验证,形成<设计-验证>对偶,构建复杂系统的数字化设计与验证闭环。

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系统设计与仿真验证平台MWorks由三大核心软件与一系列模型库和工具箱组成:

1、系统架构设计软件MWorks.Sysbuilder:

提供需求架构、功能架构、逻辑架构和物理架构建模功能,覆盖基于模型的系统设计过程。

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2、系统仿真验证软件MWorks.Sysplorer:

提供系统仿真建模、编译分析、仿真求解和后处理功能,覆盖基于模型的系统仿真验证过程。

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3、系统协同建模与模型数据管理软件MWorks.Syslink:

提供协同建模、模型管理、在线仿真和数据安全功能,为系统研制提供基于模型的协同环境。

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4、同元工具箱MWorks.Toolbox:

提供过程集成、试验设计与优化、PHM、VV&A、半物理、联合仿真、机器学习及数据可视化等丰富的实用工具箱,满足多样化的数字化设计、分析、仿真及优化需求。

5、多领域工业模型库 MWorks.Library:

提供大量经过工程验证的设计仿真一体化模型库,覆盖航天、航空、汽车、热工等多个行业。

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同元软控数字化设计与验证解决方案在航发行业应用展望

1、面向航空发动机研发的设计端

●  MWorks.Sysplorer支持基于Modelica的部件/系统乃至整机的功能建模,并借助MWorks开放、完善的接口体系(包含编程语言接口、FMI标准接口、CAD软件接口、Matlab/Simulink接口、数据接口等),可实现需求、功能属性、性能属性、几何属性等研发要素的模型化表达和信息的规范化传递,服务于航空发动机自主研发流程;

●  遵循“需求-功能-逻辑-物理”的系统工程方法,MWorks.Sysbuilder支持开展基于模型的航空发动机方案快速设计,在方案设计阶段即可实现设计方案的多领域综合仿真验证,快速暴露方案设计错误,提高设计质量。

2、面向航空发动机研发的验证端

●  基于同元模型库MWorks.Library,MWorks.Sysplorer支持部件/系统直至整机的功能模型统一建模,通过联合仿真工具箱也可支持已有部件/系统模型的集成仿真和分布式仿真,实现多个层级(单一部件/系统、多部件/系统联合直至整机级)的 “虚拟试验”,对部件/系统直至整机在各种设计、试验乃至故障、极限工况下的表现进行模拟,在实物验证前充分暴露问题并为复杂故障的排故提供支撑,为后续建立航空发动机数字孪生模型、实现基于模型的健康管理奠定基础。



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