基于數字孿生的火箭結構設計制造與驗證技術研究

吳 浩, 楊 帆, 王 斌, 吳會強, 王 哲，蔣亮亮，黃 蔚，王桂嬌，樂 晨

(北京宇航系統工程研究所, 北京 100076)

0 引言

我國“十四五”發展規劃明確指出，如何開展數據的有效應用已成為加快信息技術與制造業深度融合、促進產業轉型升級的重要支撐。在此之前，隨著通信水平和信息技術的飛速發展，將工業產品制造的各階段形成的物理實體數字化表達已是智能制造的大勢所趨。在這樣的背景下，近年來先進的數字孿生技術不斷應用到我國的工業領域，以模型驅動的虛擬與現實交互越來越多地出現在航空航天科研過程中，展現出快速而直觀的數字化虛擬技術在預測與監測實際設計制造過程方面的優勢。

在此之前，隨著我國新一代運載火箭的研制，北京宇航系統工程研究所在火箭結構系統研制方面形成了一套數字化的技術體系，通過結構設計與分析、結構工藝仿真和結構試驗仿真等手段，不斷提高結構的輕量化水平和設計效率，縮短結構的研發周期，降低型號的綜合成本，有力保障了新一代運載火箭研制的全過程。

為更好地促進模型和數據在運載火箭結構系統中的應用，本文將火箭結構設計制造與驗證的數字化技術與先進的數字孿生技術相結合，提出了基于數字孿生的火箭結構設計制造與驗證技術，包括基于數字孿生的結構設計、制造仿真、試驗設計與控制3大技術要點，以期為提升模型和數據在結構研制中的作用提供途徑，也為“十四五”期間結構研制模式升級奠定基礎。

1 數字孿生技術綜述

1.1 國內外發展現狀

2003年，Michael Grieves在密歇根大學的產品全生命周期管理課程上提出了“與物理產品等價的虛擬數字化表達”的概念，成為了數字孿生的最初定義。2012年，面對未來飛行器小質量、高負載以及更加極端環境下更長服役時間的需求，NASA和美國空軍研究實驗室共同提出了未來飛行器的數字孿生體概念，即充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數據集成而成的多學科、多尺度的仿真過程，這種仿真過程作為虛擬空間中對實體產品的鏡像，用于反映相對應物理實體產品的全生命周期過程。該研究的目的是為了解決飛行器在復雜服役環境下的維護及壽命預測問題，并使得數字孿生迎來發展契機。

之后，許多行業開始探索數字孿生在產品設計、制造和服務等方面的應用。在產品設計方面，達索公司建立了基于數字孿生的3D體驗平臺，利用用戶反饋的信息不斷改進產品設計虛擬模型，并反饋到實體產品改進中。在生產制造方面，西門子通過數字孿生構建了生產系統的模型，用于評價和整合制造流程，并在工業設備Nanobox PC的生產流程中開展了應用驗證。在產品服務方面，PTC基于數字孿生，在虛擬世界與現實世界之間建立了實時的連接，將智能產品的每一個動作延伸到下一個產品設計周期，實現了產品的預測性維修，為客戶提供了高效的產品售后服務與支持。美國通用電氣公司計劃基于數字孿生體，通過其自身搭建的云服務平臺Predix，采用大數據、物聯網等先進技術，實現對發動機的實時監控、及時檢查和預測性維護。圖1給出了空客集團A400M飛機總裝環境的數字孿生示意圖。

圖1 空客集團A400M飛機總裝環境的數字孿生

隨著近幾年我國智能制造的發展，國內數字孿生研究與應用迎來蓬勃發展。Tao等提出了數字孿生車間的實現模式，為實現制造車間物理世界與信息世界的交互融合提供了理論和方法參考。鄒琦等面向機械加工工藝優化和質量預測等應用需求，構建了包括幾何層孿生模型、數據層孿生模型和孿生模型文件層的3 層模型架構，實現了實物零件在數字空間的表達與理論加工特征的信息關聯。周軍華等初步探索了航天飛行器系統數字孿生的應用模式和架構，并闡述了實現裝備數字孿生需要突破的一些關鍵技術。劉蔚然等將數字孿生與衛星工程中關鍵環節、關鍵場景、關鍵對象緊密結合，從空間維度和時間維度對數字孿生衛星的概念內涵進行闡述。孫惠斌等研究了數字孿生驅動的航空發動機裝配技術，基于物理裝配與虛擬模型的交互與共融，實現了裝配流程控制、零件選配、裝配操作引導、裝配間隙控制、裝配技術狀態控制和裝試數據關聯分析。

1.2 數字孿生3大要素

本文通過大量文獻研究，總結出數字孿生技術的3大要素：虛擬映射、模型驅動和數據管理。

1)虛擬映射。數字孿生最大的特點在于建立了實際過程在虛擬世界中的映射，這包括虛擬模型以及其與實際過程之間的信息交互和數據傳遞等方面，通過這些方式對實際過程進行反映、監測、預測甚至控制。

2)模型驅動。虛擬模型是數字孿生的核心，但與一般的仿真分析不同之處在于，數字孿生的虛擬模型不止反映對象的特征，還要具有過程屬性，要通過虛擬模型驅動信息在過程中的傳遞。

3)數據管理。數字孿生的本質是數據，包括虛擬模型、虛擬模型與實際過程之間的信息交互以及過程中不同階段之間的數據傳遞。數字孿生的運行過程將產生大量的上述數據，如何實現高效的管理，是數字孿生能夠發揮實際作用的根本。

2 火箭結構設計制造與驗證的數字化技術

近十幾年來，隨著我國新一代運載火箭的研制，數字化在火箭結構研制中發揮著越來越重要的作用。火箭結構的設計、制造與驗證已經形成了結構設計與分析技術、結構工藝仿真技術和結構試驗仿真技術的技術體系，本節對技術現狀和發展需求進行介紹。

2.1 結構設計與分析技術

目前，火箭結構設計與分析主要包括方案設計和有限元分析兩種手段。首先，根據總體提出的結構設計要求，確定結構構型、零部件布局和初步參數，在三維建模軟件中開展方案設計；然后，在有限元軟件中開展有限元建模、多學科仿真分析和優化設計，并反饋改進建議；最后，在三維建模軟件中進行方案改進，并再次開展有限元建模分析。該過程如圖2所示。

圖2 結構設計與分析技術示意圖

由于火箭結構設計方案需滿足裝配、承載、傳熱、振動沖擊等多種指標要求，所以結構設計與分析過程需開展大量有限元仿真分析以驗證設計方案能否滿足所有指標要求。因此，目前的火箭結構設計與分析一般包括大量的方案設計與有限元分析的循環迭代。面向未來，急需打通結構設計、有限元分析之間的壁壘，從而壓縮環節、減少迭代、更加充分地開展仿真驗證，在提高結構設計效率同時提升方案的最優化水平。

2.2 結構工藝仿真技術

目前，火箭結構的工藝仿真主要針對零部件開展，包括兩個方面：1)為了確保零部件加工后變形符合預期，開展工藝過程仿真并反饋工藝參數；2)為了有效預測零部件的工藝試驗結果，開展工藝試驗仿真并反饋試驗載荷參數。

此外，制造過程的熱處理、機械加工等環節會產生材料乃至結構層面的孔隙缺陷、殘余應力、裝配預應力以及幾何偏差(統稱制造缺陷)，繼而對結構產品的性能存在不同程度的影響。而且，這類影響很難在結構方案設計時進行準確預估，所以會導致真實產品性能和方案設計指標之間的差距。隨著一體化成型等先進工藝手段在運載火箭結構中的應用，這方面的問題將更加突出。因此，面向未來，應當建立基于數字化的結構制造缺陷預測和控制技術手段，以便更為準確地預測結構的真實性能。

2.3 結構試驗仿真技術

為保證運載能力，運載火箭結構系統的精細化和可靠性要求日益提高，因此結構地面試驗、大型結構聯合地面試驗和超大規模跨系統聯合地面試驗(統稱結構試驗)越來越多地出現在運載火箭的研制過程中。由于此類試驗成本高，準備周期長，因此為使試驗快速、順利通過，目前一方面通過基于有限元的試驗仿真分析對試驗過程進行預測，以提前發現問題，及時實施改進。圖3展示了結構試驗仿真結果與實際試驗結果的一致性。另一方面，在試驗現場，通過試驗仿真結果和試驗過程數據的人工對比，對試驗過程進行監測和把控。

(a)地面試驗過程

雖然，目前通過試驗仿真可以較好地預測試驗風險，控制試驗過程，但由于試驗仿真和試驗數據分別處于獨立的兩個系統，尚未建立關聯，因此只能通過人工手段進行數據的轉換和對比，無法高效地發揮模型和數據在試驗驗證全過程的作用。面向未來，必須建立試驗仿真與試驗數據之間的交互與聯系，用數字化虛擬試驗指導試驗設計，預測和實施的全過程，從而進一步縮短試驗周期，提高一次通過率。

3 基于數字孿生的火箭結構設計制造與驗證技術

3.1 概述

面向火箭結構設計制造與驗證的數字化發展需求，本文在現有基礎上引入先進的數字孿生技術，提出了基于數字孿生的火箭結構設計制造與驗證技術。該技術與現有基礎相比，在數字孿生的虛擬映射、模型驅動和數據管理3大要素方面進行強化，旨在增強模型與數據在結構研制中預測、監測和控制的作用，以達到進一步提高設計效率，提高結構的輕量化水平，加快試驗驗證周期的目的。

基于數字孿生的火箭結構設計制造與驗證技術包括3個關鍵技術：基于數字孿生的結構設計、基于數字孿生的結構制造仿真、基于數字孿生的結構試驗仿真與控制。表1從虛擬映射、模型驅動和數據管理的角度，對3個關鍵技術的特點進行介紹。

表1 基于數字孿生的火箭結構設計制造與驗證技術特點

3.2 基于數字孿生的結構設計技術

基于數字孿生的結構設計技術以CAD/CAE一體化平臺為基礎，在方案設計的同時形成CAD向CAE的虛擬模型映射，將幾何參數、材料屬性和結構性能等全部數據保留至CAE模型中，并對CAE模型開展面向各個指標要求的多學科仿真分析，實現設計方案的全面驗證，反過來將設計改進信息傳遞至CAD，形成設計和分析之間的閉環，示意圖如圖4所示。

圖4 基于數字孿生的結構設計技術示意圖

基于數字孿生的結構設計技術與當前的結構設計手段相比，存在幾個特點：1)打通CAD與CAE之間的壁壘，即實現CAD向CAE參數的傳遞，也實現CAE仿真分析結果在CAD中的快速優化更改，因此建立的是二者之間的雙向驅動；2)將以往先有CAD后開展CAE的模式壓縮為并行進行，在方案設計的同時實現結構在全部使用工況性能指標的分析與驗證，設計效率提高50%以上；3)通過大量CAD和CAE工作的開展，實現結構設計和仿真分析優秀經驗的積累與傳承。

3.3 基于數字孿生的結構制造仿真技術

為了盡可能降低結構制造過程的缺陷，同時也促進對結構真實性能的準確把控，基于數字孿生的結構制造仿真技術建立了從原材料加工、零部件制造、產品裝配和性能評價的全過程虛擬映射，示意圖如圖5所示。

圖5 基于數字孿生的結構制造仿真技術示意圖

該技術主要包括4個階段：

1)原材料加工階段，通過開展原材料加工過程仿真，預測原材料加工結果、反饋相關工藝參數，并通過加工后的檢驗獲取原材料加工的制造缺陷；

2)零部件制造階段，將原材料加工制造缺陷引入仿真模型并開展零部件制造仿真，實現原材料加工制造缺陷影響下的零部件制造結果預測、殘余應力等制造缺陷預測和工藝參數反饋，再結合零部件制造后的檢驗，獲取該階段制造缺陷；

3)產品裝配階段，將原材料加工制造缺陷和零部件制造缺陷引入仿真模型并開展產品裝配過程仿真，實現包括原材料加工缺陷和零部件制造缺陷雙重影響下的產品裝配結果預測，裝配預應力等制造缺陷預測和工藝參數反饋，再結合產品裝配后的檢驗，獲取該階段制造缺陷；

4)產品性能評價階段，將上述原材料加工、零部件制造和產品裝配階段產生的制造缺陷進行綜合考慮并引入結構產品的仿真模型，開展結構產品在總裝、運輸、試驗和飛行等各種使用工況下的性能仿真，實現包括真實制造缺陷的結構產品性能評價。

通過上述所有工作的不斷開展，可積累起結構典型制造缺陷數據庫，形成制造缺陷的建模標準規范，以及制造缺陷對結構性能的折減系數庫，從而使設計人員在結構方案設計時就能夠有效預測真實產品的性能，因此能夠進一步降低設計余量，提高結構的輕量化與精細化。

3.4 基于數字孿生的結構試驗仿真與控制技術

基于數字孿生的結構試驗仿真與控制技術流程如圖6所示，包括3個階段：1)試驗設計階段，通過建立試驗件的虛擬模型，全面評估各種載荷工況對試驗件的影響，從而提高試驗工況的精細化水平；2)試驗仿真預示階段，建立試驗實施過程的虛擬模型，通過精細化仿真分析對試驗過程進行預測，及時采取加強措施，并基于仿真結果快速生成試驗測點圖，作為試驗仿真結果與試驗過程數據之間的介質；3)試驗實施階段，建立試驗仿真結果與試驗過程數據之間的實時交互，將目前需要人工開展的數據分析轉化為基于計算機的自動化執行，提高試驗過程監測的嚴密程度，能夠更好地發現問題、避免試驗的反復。

通過這3個階段的實施，可進一步加快試驗進度，縮短結構系統的研制周期。

圖6 基于數字孿生的結構試驗仿真與控制示意圖

4 結論

本文面向“十四五”期間模型與數據在我國工業領域的應用趨勢，將火箭結構設計制造與驗證的數字化技術與先進的數字孿生技術相結合，提出了基于數字孿生的火箭結構設計制造與驗證技術。該技術包括基于數字孿生的結構設計、基于數字孿生的結構制造仿真和基于數字孿生的結構試驗仿真與控制3方面，在當前數字化技術基礎上，通過增加虛擬映射、模型驅動和數據管理的數字孿生關鍵要素，加強了模型和數據在結構研制過程中預測、監測和控制的作用，能夠實現3方面的提升：

1)打通結構設計與有限元分析之間的壁壘，提高設計效率，也提高結構的優化水平；

2)建立結構產品制造全過程的工藝仿真手段，更為準確地預測結構性能，提升方案的輕量化水平；

3)通過虛擬試驗全面指導結構試驗的設計、預測和實施，進一步縮短試驗周期，提高一次通過率。

通過本文的論述，為提升模型和數據在結構研制中的作用提供了技術途徑，也為“十四五”期間結構研制模式升級打下基礎。