艦載機數字孿生體建模技術綜述

趙維 金曉橋 孟繁巍

（92728部隊，上海 200436）

0.引言

數字孿生是指充分利用物理模型、傳感器技術、運行數據等，集成多學科、多尺度的仿真模型，作為虛擬空間中對實體產品的鏡像，反映對應物理實體產品的全壽命周期活動。目前國外已開始數字孿生技術的工程化研究。本文研究分析艦載機數字孿生體建模涉及的關鍵技術[1-2]。

1.軍事需求分析

艦載機具有精密復雜、安全風險高、結構損傷檢測不方便等特征，艦載機需在高溫高鹽高濕的沿海、島礁機場和航母甲板長期駐扎，阻攔著艦時機體需要承擔巨大縱向過載，因此結構腐蝕和損傷情況高發，這些損傷是嚴重的安全隱患，導致艦載機的安全性和壽命普遍低于陸基飛機，急需尋找手段來滿足艦載機結構健康監測與安全性分析等工作的需要。數字孿生概念是由美軍空軍研究實驗室提出用于解決軍用飛機的結構監控等需求的方案，可在艦載機結構監控領域發揮重要作用[3]。

2.國內外研究現狀

2.1 國外研究現狀

美國空軍研究實驗室于2011年提出數字孿生體概念，用于計算飛行中飛機的結構和溫度變化，分析局部損傷和材料狀態的演變；2012年該實驗室提出了“機身數字孿生體”，用于設計和維護數字機身，為每架飛機各自建模并作為一個虛擬健康傳感器，預測每架飛機未來維護需求，以期改善飛機全壽命周期中的管理方式[4]。隨著工業4.0等概念的提出，波音公司、西門子、洛克希德?馬丁公司、通用電氣等世界級知名制造商，均致力于數字孿生體技術的研究和應用工作，并在部分項目中得到實際應用[2]。

2.2 國內研究現狀

國內目前開展數字孿生技術的研究已比較多，尤其是對基于數字孿生的集成制造技術的研究非常多，如北京衛星制造廠張玉良等提出的面向航天器在軌裝配的數字孿生技術，成飛公司陳振等提出基于數字孿生管控飛機裝配車間，劉亞威提出的數字孿生技術助力航空生產、北航于勇等提出的數字孿生體在飛機構型管理中的應用、陶飛等提出的數字孿生車間等，但目前主要以理論研究為主，研究應用的深度仍較有限[5-9]。

3.數字孿生體建模關鍵技術分析

3.1 超現實多物理量個性化建模技術

超現實多物理量個性化建模是開展艦載機數字孿生體建模的基礎，需要為艦載機建立個性化的整機和部件的超現實幾何模型，包括每架艦載機在材料微觀結構、缺陷、制造異常等的細微差別；同時建立熱量傳輸模型、動力學模型、應力分析模型和疲勞模型等，各個模型需要高度耦合在一起[5]。

3.2 結構件多尺度損傷建模技術

損傷的分布和類型取決于材料和制造工藝，需要將物理模型整合到結構有限元分析中，建立損傷時間變化率與應力時間變化率的聯合模型，比如小時間尺度疲勞裂紋擴展模型；同時損傷不僅限于疲勞裂紋，還包括蠕變、微動和磨損、復合材料中的分層和微裂紋、熱機械疲勞、腐蝕和氧化以及面板屈曲等，必須探索各種損傷機制之間協同作用，最終建立各種損傷的多尺度物理模型[5]。

3.3 艦載機結構與健康綜合監測技術

對艦載機結構與健康進行綜合監測與數據采集是構建數字孿生體的關鍵步驟，用于收集艦載機正常條件和不利條件下飛行的各類數據，實現對受損結構損傷的診斷和預測，確保能持續安全運行。其前提是要為艦載機研制滿足要求的傳感器系統，比如為攔阻鉤、起落架、縱梁等關鍵結構安裝損傷檢測傳感器，以采集足夠的建模和分析數據。

3.4 不確定性建模和校模技術

由于數字孿生體的真實性不可能做到與對應的實裝艦載機狀況完全一致，隨著時間的推移，數字孿生體中的不確定性會累積到不可接受的水平，需通過必要手段進行控制。目前動態貝葉斯網絡是一種比較好的模型校準方法，利用動態貝葉斯網絡跟蹤時變變量的演化，并對時變變量進行標定；也可利用動態貝葉斯網絡預測未來裂紋擴展的概率[5]。

3.5 連續飛行載荷模擬技術

數字孿生體的運行需要對飛行的連續時間歷程進行模擬，目前國外已提出的思路是通過耦合飛行動力學模型和氣動彈性解算器解決該問題，并正在使用F/A-18的飛行試驗數據進行驗證工作，該方法能更好地表示飛機上的載荷，產生的高保真載荷有利于飛機設計和跟蹤疲勞損傷的發展。

3.6 超大型共享數據庫操作技術

在文獻[4]中，估算每個數字孿生體虛擬飛行1小時輸出大約1PB（1024TB）的材料、結構及損傷數據，目前的存儲設備發展水平很難滿足如此海量數據的存儲需求，需要解決數據的分布式快速處理、共享存儲、超高速網絡通訊等問題。

3.7 海量數據分析計算技術

經初步估算，將1個小時1PB虛擬飛行數據中的1%進行可視化，按照目前10MB/s的處理速度，需要35個工作日，其計算能力需求已遠遠超過目前主流圖形工作站的性能，需要在數學方法、算法及其工程實現等方面不斷創新，解決耦合偏微分方程、量化不確定性、設計和優化結構、處理大量有噪聲的數據等技術難題，最終突破高分辨率結構分析計算技術。

4.發展建議

（1）數字孿生涉及理論復雜，應加大其基礎理論研究支持工作，引導相關科研人員加大理論研究力度和深度。

（2）深化軍事需求和應用研究，研究數字孿生仿真技術在艦載機結構監控、全壽命周期管理等方面的應用模式，為研究工作提供牽引和指導。

（3）支持新型傳感器研制工作，實現該關鍵零部件的自主可控，滿足功能性能和安裝形式定制等需求。

（4）應結合飛機型號研制任務，適時開展關鍵技術的原理驗證工作，最終具備開展系統性演示驗證甚至工程化實現的能力。

5.結論

本文介紹了數字孿生的基本概念、軍事需求、國內外發展現狀和國內外主要差距，較系統地分析了實現艦載機數字孿生體建模涉及的關鍵技術，提出了發展建議，可為科研人員研究數字孿生技術提供參考和指導。