搜索

中国航空工业集团公司北京长城航空测控技术研究所《测控技术》杂志社版权所有
地址:北京市亦庄经济技术开发区经海二路航空工业科技商务园9号楼 邮编:101111 
编辑部:010-65667497;
广告部:010-65667357;

发行部:010-65667497;
网管部:010-65667357;

扫码关注微信公众号

本网站为《测控技术》指定官方网站

Coypright◎2012-2018 北京长城航空测控技术研究所      京ICP备09097201号-2

测控技术

NI和Eta Wireless合作加速开发宽带数字包络跟踪技术,扩展5G毫米波数据速率和覆盖范围
富士施乐采用新思科技的ZeBu服务器,开发新一代多功能打印机SoC芯片
研华科技与广和通联合发布5G SD-WAN创新终端
Pickering Interfaces公司推出了成套LXI微波开关和信号路由子系统
康耐视推出AlignSight 对位传感器系列 经济实惠的一体化解决方案,适用于视觉引导的机器人(VGR)和平台对位应用
艾讯科技发布边缘运算人工智能系统AIE100-903-FL四核心模块
助力传统能源企业转型升级,华北工控可提供AI边缘计算专用计算机
ace 2相机系列新品:推出多款配备Sony CMOS芯片的型号,分辨率为500万和800万像素

知识工程

微视频

测控技术

你手中的快递都经历了什么?| 威图助力京东打造亚洲一号仓库
成功案例 | 威图广厦之荫 金凤凌空展翅
应用案例:混合动力火箭发动机点火测试
AI赋能再破局—聚焦研华科技如何引领工业制造AI落地应用
风光储一体化方案助力智慧能源实现多能互补
成功案例 | 绿色出行,共建可持续未来
西门子与 SAP携手加速工业数字化转型
赋能数字化转型和设备运维,福禄克测试方案2020年将会给业界带来哪些惊喜?

知识工程

微视频

你手中的快递都经历了什么?| 威图助力京东打造亚洲一号仓库
成功案例 | 威图广厦之荫 金凤凌空展翅
应用案例:混合动力火箭发动机点火测试
AI赋能再破局—聚焦研华科技如何引领工业制造AI落地应用
风光储一体化方案助力智慧能源实现多能互补
成功案例 | 绿色出行,共建可持续未来
西门子与 SAP携手加速工业数字化转型
赋能数字化转型和设备运维,福禄克测试方案2020年将会给业界带来哪些惊喜?

测控技术

知识工程

微视频

中国航空工业集团公司   中航高科智能测控有限公司  北京瑞赛长城航空测控技术有限公司   中国航空工业技术装备工程协会  中国航空学会

中国航空工业集团公司北京长城航空测控技术研究所 《测控技术》杂志社版权所有
地址:北京市亦庄经济技术开发区经海二路航空工业科技商务园9号楼 邮编:101111 
编辑部:010-65667497;
广告部:010-65667357;

发行部:010-65667497;
网站管理部:010-65665345

数字线索助力美空军装备研制

浏览量

数字线索助力美空军装备研制

刘亚威

(中国航空工业发展研究中心,北京100029)

摘要:数字线索旨在通过先进建模与仿真工具建立一种技术流程,提供访问、综合并分析系统生命周期各阶段数据的能力,使军方和工业部门能够基于高逼真度的系统模型,充分利用各类技术数据、信息和工程知识的无缝交互与集成分析,完成对项目成本、进度、性能和风险的实时分析与动态评估。美空军针对高性能飞行器静态和动态稳定性和控制特性的确定,提出了利用CREATE-AV、通过试验设计设置最少的数据点从而缩短整个风洞试验周期的方法,并且使用F-22战斗机外模线和风洞试验数据库,执行了数字线索试验研究,确认了方法的有效性。数字线索将支撑系统生命周期活动的以数据驱动、基于模型的分析与决策,对提升航空装备需求迭代、产品研制、制造缺陷处理、维护和修理的效率与质量将产生显著成效。

关键词建模仿真;降阶模型;响应面;风洞试验

中图分类号TP391;V271    文献标识码C   

文章编号:1000-8829(2018)09-0001-04

doi:10.19708/j.ckjs.2018.09.001

 

美空军在2013年发布的《全球地平线》顶层科技规划文件中,将数字线索(Digital Thread)和数字孪生(Digital Twin)视为“改变游戏规则”的颠覆性机遇,从2014财年起组织洛马、波音、诺格、通用电气、普惠等公司开展了一系列应用研究项目,并已陆续取得成果。美空军计划在E-8对地监视与攻击指挥飞机替换、T-X新一代教练机、远程防区外空射巡航核导弹等重要采办项目中推广应用数字线索,优化其生命周期决策。图1给出了数字线索支撑美空军装备寿命周期决策的主要流程,其中箭头代表数据和模型的传递。

 图1    数字线索支撑美空军装备寿命周期决策

1   数字线索具备颠覆性意义

1.1    数字线索是基于模型的系统工程分析框架

数字线索旨在通过先进建模与仿真工具建立一种技术流程,提供访问、综合并分析系统生命周期各阶段数据的能力,使军方和工业部门能够基于高逼真度的系统模型,充分利用各类技术数据、信息和工程知识的无缝交互与集成分析,完成对项目成本、进度、性能和风险的实时分析与动态评估。

数字线索的特点是“全部元素建模定义、全部数据采集分析、全部决策仿真评估”,能够量化并减少系统生命周期中的各种不确定性,实现需求的自动跟踪、设计的快速迭代、生产的稳定控制和维护的实时管理。美空军认为,系统工程将在基于模型的基础上进一步经历数字线索变革。

1.2    数字线索将变革传统研制模式与产品生命周期管理

数字线索的应用,将大大提高基于模型系统工程的实施水平,达到“建造前飞行”,颠覆传统“设计—制造—试验”模式,在数字空间中高效完成大部分分析试验,实现向“设计—虚拟综合—数字制造—物理制造”的新模式转变。

数字线索的应用,将使航空装备实现个体化、综合化、可预测和预防性的“使用前保障”:单个产品的历史数据对操作、维修和工程人员开放,针对每个产品定制预先维修和修理/翻新方案,维修是基于对损伤和损伤先兆的早期分析识别,大部分保障工作转变为生命周期中的损伤预测、预防和管理。

2   数字线索实施需要大幅提升数字化、信息化基础能力

2.1    多学科、多物理、多逼真度建模与仿真

数字线索中使用的系统模型,能够在数字空间全面表达装备系统的功能和性能,相当于全方位的数字样机,具备多学科、多物理、多逼真度仿真能力。美国国防部开发了飞行器计算研究工程采办工具环境(Computational Research and Engineering for Acquisition Tools andEnvironments-AV,CREATE-AV),一个包含前期工程、固定翼、旋翼、推进模块和射频5个部分的飞行系统模型架构,通过数字线索导入该模型架构,可构建支持气动、动态稳定性和控制以及结构仿真的高逼真物理特性模型,高效执行分析优化,支撑航空装备概念开发和设计。

2.2    数据在生命周期双向流动的组织方式 

数字线索改变了以往数据只能正向流动的局面,可将历史的与当前的数据、信息和知识集成到各层级、各领域模型中整体分析,保护项目知识产权(私有工具、内部实践)的同时使知识重用最优化。通过数字线索在系统模型中映射物理实体的基本要素,对已建造系统进行精准复制形成的数字孪生模型,可实现对制造性、检测性和保障性的评价与优化,支撑航空装备生产、使用和保障。

2.3    数据模型高效集成分析的信息化条件 

数字线索的首要技术挑战是跨阶段、跨组织、跨领域的互操作性问题,这需要研究并建立数据和模型的交换标准并开发本体论,同时还要实现顶层IT架构的集成并按项目定制开发IT解决方案和工程工具,特别是高性能计算能力和赛博安全防护。数字线索是2017年发布的美国防部制造工程战略的重要推进方向,通过建立支撑工程活动、协同和相互沟通的基础设施与环境,将助力国防部构建数字工程生态系统,如图2所示。

图2    数字线索助力国防部数字工程生态系统

3    数字线索助力美空军减少装备设计研制周期和成本   

3.1    数据线索助力飞行器设计研制

数字线索可从宏观和微观上改善飞行器设计过程:利用响应面、模型降阶和概率分析等方法对系统设计进行评价、分析,更好地理解在试系统,减少风洞试验和飞行试验的数量;实施完整的有限元结构分析,支持敏捷的设计和重量管理;通过对组件耐久性和损伤容限的工程分析,建立初始疲劳裂纹及其生长模型,进行设计特征几何迭代直到满足设计寿命指标。

数字线索还可将材料工艺活动集成到系统工程活动前期:建立有充分材料工艺依据的、成本/重量/性能等方面的概率参数模型,建立有充分物理特性依据的材料工艺概率模型,将这些材料与工艺模型和详细设计分析模型连接,并自动更新模型。这将改变从初步设计向详细设计过程中需求单向流动的现状,通过探索设计和制造的权衡空间、量化系统性能的界限和不确定性、优化研制流程并尽量减少在后期发现缺陷的概率,大大降低研制周期和成本。

3.2    案例——减少飞行器研制试验周期和成本

美空军针对高性能飞行器静稳/动稳特性和控制(Stability and Control,S&C)特性的确定,提出了利用CREATE-AV、通过试验设计(Design Of Experiment,DOE)设置最少的数据点从而缩短整个风洞试验周期的方法,并且使用F-22战斗机外形曲面和风洞试验数据库,执行了数字线索试验研究,确认了方法的有效性。

30年来,美空军飞行器研制试验与评价的工程实践并未发生显著变化。尽管从F-22研制到F-35研制,试验效率提升了4倍,但即使F-35的飞行包线比F-22要小,F-35的风洞试验仍然需要执行与F-22相同的22000 h,并且每个构型都是22000 h。这是因为,当前的风洞试验主要是由流程驱动的,是按试验小时而不是试验点来设计。传统上,为确定高性能飞行器S&C特性,“暴力”方法是为一架飞行器填满整个S&C数据库,这需要在风洞中设置约250万个数据点;相应地,使用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD),通过计算和空气动力学逐点模拟风洞,则完全不切实际。

美空军利用CREATE-AV中的Kestrel能力,研究了一个对数字线索飞行模型应用统计工程的方法。Kestrel是高逼真度的基于物理特性的模型,全面仿真从亚声速到超声速飞行的固定翼飞行器,包括复杂机动、推进装置影响、移动控制面、气弹影响、多体相对运动以及引入真实内循环和外循环控制率的能力。Kestrel拥有一个模块化架构,可以综合流体/结构相互作用、推进装置集成和武器集成,给数字线索带来:多学科、多物理、多逼真度能力,快速和高效生成降阶模型的能力,在详细设计过程中处理系统集成的能力,以及充分利用高性能计算设施的可扩展性。

研究中,在一个固定马赫数和高度,使用Kestrel在不同角度和速度下进行横滚、俯仰和偏航机动,确保“回归空间”(即一般飞行中的角度和速度)有适当的覆盖范围。机动加入一个唧声(chirp)信号(变化频率和变化高度的正弦曲线),机动过程引起一系列空气动力学特性。之后,使用系统辨识软件SIDPAC对输入角度、速度和输出载荷进行建模,从输入和输出数据构建在试系统的一个数学模型,表征系统的不确定性和测量噪声。这一过程大致如图3所示。唧声机动计算的输出是一个降阶响应面,可以立即用作交战模型和/或飞行模拟器的飞行模型,比计算流体动力学计算飞行器周围流场来确定载荷高效。这些模型让气动力系数数据和气动力载荷数据可被提取出来用于和已知值对比。使用Kestrel、SIDPAC和高性能计算机对空气动力学进行预测已成功通过许多飞行器得到确认。

图3    利用数字线索减少风洞试验活动

通过飞行器外模线生成降阶响应面提供了一个应用DOE减少风洞试验总时间的机遇。尝试应用DOE来优化一个传统的单独风洞试验难以成功,因为当前的风洞不利于快速改变参数来优化数据集的随机性。单因子轮换试验方法让当今航空研制流程的数据库变得巨大,不过,如果从全部风洞试验层面思考,可能会有更有成效的DOE使用方法,即对数字线索飞行模型应用统计工程。响应面的不确定性需要使用统计工程方法量化,那些仍展现高度不确定性的区域将成为风洞试验的主要关注点,从而成为风险降低的关键区域而不用去定义整个参数空间。DOE方法确保最佳数据集得到采用,通过DOE流程计算的动力系数,可用于分析通过额外计算、风洞试验或飞行试验,响应面上的波动可消减多少,会存在一个必须进行风洞试验或飞行试验的临界点,这样,就可以尽量减少不确定性建模和/或试验。

美空军在数字线索研究中使用F-22项目的现有数据库确认了该方法。将F-22的外形曲线输入Kestrel,计算不同马赫数和高度下的计算结果,定义整体空气动力学性能和S&C。计算结果直接与原始的综合风洞数据库进行比较,成功验证和确认了Kestrel对空气动力学性能进行建模的能力。在关键设计评审之前的某些风洞试验,有90%需要改变控制系统外形(如襟翼/扰流片设置等)。以往这些控制面设置通常由人工完成,而空军使用Kestrel内建的可移动控制系统能力发展了一个建模能力,在不同飞行条件下自动调整飞行器,实现了在更少的计算量需求下,定义控制权限和控制系统增益。

基于数字线索方法,美空军评估了减少风洞试验对成本和时间的潜在影响,范围包括空气动力学性能、S&C和气动载荷试验,约占全部风洞试验的65%。对一个标准的22000 h风洞试验,气动力学/载荷试验大约15000 h,使用数字线索可以减少60%,即9000 h。如果风洞试验超过48个月,那么数字线索方法可以减少20个月的时间,而相关的成本减少则是两倍——减少的风洞试验成本和缩短的项目周期带来更低的项目规划成本。对于一个1000亿美元的采办项目,在关键设计评审前应用数字线索方法有可能减少10亿美元量级的研制成本。

使用Kestrel来建立飞行器性能和S&C相同的计算,还可以在飞行器上通过使用空气动力的空间和时间分布的本征正交分解,对空气动力载荷进行节点分析。Kestrel包括一个支撑结构元件分析的完整的有限元结构分析能力。将这个结构载荷的基于模型的前期评价,与风洞中使用压敏漆的先进试验技术相结合,可以为详细结构设计提供对结构载荷的深刻理解。而且,随着外形曲线在研制流程中潜在变化以提升空气动力学性能,结构载荷可被有效更新,以支撑敏捷设计和重量管理。此外,动力系数还可帮助理解一个缺陷向下传递到下一个研制步骤的概率。

在使用Kestrel和系统辨识为优化的试验活动生成性能和S&C而进行的计算,可以在需求分析阶段就执行,用于考虑感兴趣系统的测试性,并且为设计一个最少试验活动的方法制定初始策略。响应面方法也为研制试验和使用试验的集成提供一个宝贵支撑,并且处理联网和互操作性问题。响应面中采集的飞行器特性可以直接转换到一个人在环路模拟器(a manned flight simulator)的性能数学引擎。即使在研制的最早阶段,这个人在环路模拟器也可开始处理某些使用集成问题,从而可在项目中更早地进行集成的研制试验/使用试验。如果将早期航电和通信包的实验用板或数字模型放入人在环路模拟器,系统演进的性能就可作为一个分布式任务仿真中的节点进行评价。来自这个集成方法的反馈可用在非常早期阶段,面向一个可互操作的系统拥有最大性能而改进设计。由于当前绝大部分使用试验(特定术语)的接口问题和互操作性在研制流程的后期才处理,使用这样一种创新的方法对减少研制周期的积极影响将是巨大的。

4    结束语

数字线索已经成为美国空军和洛马、通用电气等军工巨头的顶层战略,对提升航空装备需求迭代、产品研制、制造缺陷处理、维护和修理决策的效率和质量产生了显著成效。我军和我国航空工业目前尚缺乏多物理联合仿真、高性能计算、工艺在线检测分析、使用保障数据反馈等手段和条件,影响了航空装备高效、高质量研制,应围绕数字线索的研究与实践,进一步提升数字化、信息化基础能力,改善我国航空装备的研制生产和保障,助力航空工业全面迈向基于模型的系统工程和智能制造时代。

参考文献: 

[1]Maybury M T.Global Horizons Final Report,United States Airforce Global Science and Technology Vision[R].U.S.AirForce,2013-06.

[2]刘亚威.数字线索提升航空产品寿命周期决策能力[R].第三届中国航空科学技术大会,2017-09.

[3]Zimmerman P.DoD Digital Engineering Strategy[R].NDIA,2017-10.

[4]Kraft E M.HPCMP CREATETM AV and the Air Force Digital Thread[R].AIAA,2015-01.

[5]Kraft E M.The Air Force Digital Thread/Digital Twin LifeCycle Integration and Use of Computational and Experimental Knowledge[R].AIAA,2016-01.

热门资讯

凌华科技正式加入机器人操作系统(ROS)全球开放源码计划
一种超低时延无人机测控链的研究
一种基于时序的状态监控及故障诊断系统
基于模型的飞机电滑行系统设计与研究
电磁干扰环境下的航空通信距离计算
基于深度度量学习的电机故障诊断
服务机器人小型关节综合性能测试软件设计
六维力传感器的结构设计分析

推荐文章

相关文件

暂时没有内容信息显示
请先在网站后台添加数据记录。