航空發動機仿真標準體系淺析

劉曉玉

【摘 要】針對目前國內外仿真標準缺乏和凌亂的現狀對航空發動機仿真標準體系進行了研究和分析，首先分析了國內外航空發動機仿真技術的發展歷程及趨勢，接著對國內外航空發動機仿真標準的現狀進行了梳理，并在此基礎上結合研制需求提出了航空發動機仿真標準體系框架，用以指導制定具體的標準。

【關鍵詞】航空發動機；仿真；標準體系

中圖分類號： TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）09-0130-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.09.060

作為飛機的心臟，航空發動機是各國研究和投入的重點。幾十年的發展，已使航空動力工業成為知識密集、技術密集、高投入、高附加值的高技術產業。其具有發展周期長、科研投入高，技術綜合性和對抗性強，預研究成果篩選率高和研制風險大等特點。其成本過高的一個重要原因是必需進行大量大尺寸的試驗，且隨著發動機性能的不斷提高，這一投入還在急劇增加。而在此方面，計算機仿真具有巨大的優勢：可以減少試驗工作量，有效降低研制費用，縮短研制周期。[1]

本文所提到的仿真限制為航空發動機數學仿真和半物理仿真，將仿真的概念限制為使用計算機系統實現產品性能計算、功能仿真、優化和驗證的工程活動。

1 國內外航空發動機仿真能力的發展

20世紀80年代中后期，美國開展了高性能渦輪發動機綜合技術（IHPTET）研究計劃，而迅速發展的CFD技術在IHPTET計劃的發展中占據了越來越重要的地位。為了充分利用先進的、高速發展的數字化信息和通訊技術，促進IHPTET計劃的加速進行，NASA與美國國防部在航空航天推進系統仿真（Aerospace Propulsion System Simulation， 簡稱APSS）研究的基礎上，于1989年正式提出了發展推進系統數值仿真技術（Numerical Propulsion System Simulation，簡稱NPSS）的研究計劃。

NPSS的研究目標是以高性能計算平臺為基礎，以經過驗證的推進系統各部件、系統及學科的工程模塊為核心，對推進系統的性能、穩定性、費用、壽命及取證等進行快速的、可支付得起的數值仿真計算，形成航空航天推進系統“數值試車臺”，實現推進系統的高保真三維動態多學科集成設計與分析，并最終實現推進系統/飛行器的一體化綜合仿真。據估計，NPSS一旦研制成功和運用，將通過減少重復設計、試驗和昂貴的硬件設施建設等為生產商節約30%到40%的研制時間和經費。無疑NPSS反映了當前發動機數值仿真的最高水平，并代表了將來一個時期的發展趨勢和方向。[1]

與國外相比，我國雖然起點較低，但也在這方面做了相當工作。航空發動機仿真能力建設始于上世紀八十年代，采取各專業根據任務獨立發展的方式，沒有統一的發展規劃；主要工作集中在零維、一維的總體、部件仿真程序編制及簡單的有限元計算。“十五”之初，各專業仿真能力發展有了相對完整的總體規劃，各專業相繼開展了理論模型研究、仿真軟件開發、數據庫建設及初步的試驗驗證等工作，并引進商業仿真軟件對設計結果進行簡單的三維仿真驗證。經過三個“五年”計劃的持續支持以及信息化水平的不斷提高，我國航空發動機已經初步形成了涵蓋總體、進氣系統、壓氣機、渦輪、燃燒室、加力燃燒室等十余個專業的仿真能力，基本能夠支持從三維穩態到非穩態，從單學科到多學科（氣熱、氣固耦合），從單一的流場仿真到運動學仿真、強度仿真、飛發一體化仿真等各類仿真分析工作，基本支撐了三代機、四代機研制。

2 國內外航空發動機仿真相關標準情況

為促進仿真技術發展及提高仿真技術應用水平，國外很早就開始仿真相關標準的研究與制定，部分國家軍方和一些國際組織均發布了一些列標準。如美國軍方實施了多個與仿真相關的計劃，包括基于仿真的采辦（Simulation Based Acquisition，SBA）、“建模仿真主計劃”（DoD Modeling and Simulation Master Plan，DoD 5000.59-P）、“采辦建模和仿真主計劃”（DoD Acquisition Modeling and Simulation Master Plan）等，并在各計劃中著重對標準化工作做出了規劃。國際標準包括AIAA CFD數據交換推薦指南（The CFD General Notation System）、IEEE 1278.X系列標準：分布式交互仿真（Distributed Interactive Simulation，DIS）、ProSTEP推薦系列指南：仿真數據管理——仿真分析數據與PDM環境的集成（Simulation Data Management-Integration of Simulation and Computation in a PDM Environment（SimPDM））等。國際標準及相關的協會標準以CAE應用的底層實現為主，其標準化對象主要集中在數據交換格式、仿真數據管理及管理軟件、仿真元數據標準及仿真業務流程等方面

隨著數字化技術在國內的應用逐步深入，仿真技術在產品全生命周期中的作用也越來越突出，但是，目前我國并沒有制定與仿真或仿真建模相關的戰略規劃，而現有的一些國家標準也均是以直接轉化等效國際標準為主。國家軍用標準中與仿真相關的標準多以仿真試驗標準為主，其標準內容除包括數學仿真以外還包括實物仿真、半實物仿真等內容，缺乏仿真計算、仿真優化等方面的應用標準，2012年起，持續形成了多份與仿真模型、仿真平臺建設和仿真模型管理方面的國家軍用標準。目前，航空航天工業行業及相關企業已經開始結合各自的實際情況，制定與仿真技術應用相關的標準。其中航空行業標準以電子產品的可靠性仿真為主，航天行業在結構有限元分析和控制系統仿真方面形成了部分標準，但從標準分析看，仿真標準尚未形成體系。

3 航空發動機計算機仿真標準體系框架及說明

航空發動機仿真的目標是建立有數據庫支持的，通過試驗標定的，達到工程實用程度的先進的、可靠的、智能化、多功能的發動機零維、一維、二維、三維發動機部件和整機數值仿真系統。其主要作用包括：新一代部件、發動機與子系統綜合設計；設計預測模擬；故障檢測與預估等。其中多功能是發動機仿真的一個重要特點，多功能是指：流場、溫度場、應力場與多場耦合的數值仿真。[2]按照模塊化、層次化建模的思想，以提高數據一致性和數據共享能力為目標，在分析各類型仿真的功能特性的基礎上，初步分析了航空發動機計算機仿真標準體系框架結構，如圖1所示。具體說明如下：

3.1 仿真基礎標準

基礎標準是共性的基礎方面的標準，主要包括術語和定義標準、元數據標準、模塊管理標準（包括模塊劃分、模塊層次、模塊命名、模塊輸入輸出文件格式、參數命名等）、軟件文檔管理標準、信息分類與編碼標準。

3.2 仿真管理標準

仿真管理標準包括項目管理標準（包括仿真軟件的論證與開發、仿真軟件評估和驗收、及仿真軟件維護和優化等標準）、配置管理標準、數據管理標準和安全保密管理標準。

3.3 設計仿真標準

按照仿真軟件的功能特性，將設計仿真標準劃分為設計過程仿真標準、設計預測仿真標準、故障預估和檢測仿真標準3類，設計仿真標準以增強仿真模型建模的規范化和應用的規范化，提高仿真結果的一致性為核心。其中：

——設計過程仿真是以知識、流程和規范為基礎形成的輔助設計工具，以流程模型，以及以流程模型為依托的數據庫和模型的集成應用為核心。按照專業，其包括需求分析/論證/分解模型、總體設計模型、部件設計模型、系統設計模型，及專業設計模型間的集成接口規范標準。各專業設計模型標準可能包含流程模型、子模型分類、各模型建模要求、模型接口數據要求、及設計信息的保存管理要求等

——設計預測仿真是對設計結構進行的一種多學科的校驗，通過有限元分析等模擬零部件的實際工作環境和工作狀態，從而驗證設計結構的合理性及設計部件的工作性能，從而為設計優化提供依據。按照仿真類型，仿真模型可分為流場仿真模型、溫度場仿真模型、靜力學仿真模型、動力學仿真模型等類型，及多學科聯合仿真的接口規范。各類型仿真模型標準中可能會包含結構模型建模標準、網格劃分標準、計算模型建模標準、邊界條件標準及數據后處理標準等。

——故障預估和檢測仿真包括故障樹分析模型和發動機故障診斷模型，是在發動機工作原理和性能數據及大量故障數據的積累的基礎上，進行的故障預估和診斷。

3.4 制造仿真標準

制造仿真標準是按照工藝類型進行的劃分，可分為機加仿真模型、鍛造仿真模型、鑄造仿真模型、復材加工仿真模型等。其中各類型模型標準中應包括工藝模型建模標準、工裝模型建模標準、加工設備建模標準、刀具建模標準、數控程序編制規范等。

3.5 計算機仿真資源庫標準

為支持仿真的進行、仿真模型的持續優化和仿真模型的快速構建，需要形成相關的仿真資源數據庫，包括試驗數據庫、發動機故障數據庫、材料庫、標準庫和模型庫。

3.6 計算機仿真環境標準

仿真環境包括仿真系統所用到的計算機軟硬件要求，網絡要求，和圖像顯示要求。

【參考文獻】

[1]曹源，金先龍，孟光.航空發動機系統級仿真研究的回顧與展望，航空動力學報，2004 vol.19 No.4.

[2]馮國泰，黃家驊，王松濤.航空發動機數值仿真試驗臺建設中幾個關鍵技術問題的討論，航空動力學報，2002 Vol.17 No.4.