航空發動機試車半物理仿真技術

　　摘要 本文對航空發動機試車過程的半物理仿真問題進行了研究，提出基于某型發動機設計模型和大型CAVE環境的試車半物理仿真方發，解決了發動機及子系統性能計算模型構建、異地分布式半物理仿真系統體系架構設計、CAVE環境中的基于發動機3D模型的試車數據實時可視化等關鍵問題，為正在研制的某型發動機試車半物理仿真系統奠定了理論和方法基礎。

　　【關鍵詞】航空發動機 發動機試車 半物理仿真 數據實時可視化 虛擬現實

　　航空發動機屬于技術含量極高的復雜產品，研制周期長且代價高昂，因此研制過程廣泛使用各類仿真技術，近年來發動機試車也開始應用仿真技術。

　　隨著計算機技術的快速發展，仿真技術也得到了長足的發展。早期仿真主要是依托數學模型的計算仿真，結果數據處理較為繁瑣，通常是事后進行專門的結果數據分析，這種仿真方式不適合人在回路類型的仿真。三維建模與虛擬現實技術的發展為仿真提供了新手段，3D幾何模型可將仿真對象的形狀/結構直觀地表達出來，仿真結果除了可以使用2D表達方式以外，還可以仿真對象的行為方式直接表達，如發動機噴口收/擴動作、各類閥門的開關動作等。而3D數據可視化技術、特別是矢量場、標量場可視化技術則可以表達更為復雜的瞬態3D場數據，將它們與3D幾何模型結合即可將仿真對象的各種行為形象地表現出來。

　　航空發動機研制過程中需要對發動機進行試車，試車的風險和難度都非常的高，同時也要求試車操作人員能夠熟練操作，若操作失誤或未及時處理突發事件則可能引起重大事故。培養試車人員需要時間和成本，甚至存在一定風險。目前航空發動機的功能與性能仿真已經大量應用，并具有一定的成熟度，國內西北工業大學、南京航空航天大學、北京航空航天大學、上海交通大學、空軍工程大學等單位都對航空發動機虛擬仿真、半物理仿真有較長時間的研究，并在一些航空發動機本體仿真、控制系統的研發中得到應用。

　　航空發動機試車仿真和本體仿真的不同之處在于，試車屬于人在回路仿真，仿真主要是為了培訓和考核試車人員，不僅要求仿真過程響應快速、計算準確，而且人的操作過也需要進行高相似度仿真。國內航空發動機試車仿真方面的研究較少，西安航空學院在2014年建立了國內首個“某軍用航空發動機半物理仿真裝置”，其發動機半物理仿真裝置軟件系統，使用了基于具有某軍用發動機的大量整機試驗測量數據建立的試驗模型，虛擬技術應用較少。目前國外已有較多的研究，并開始投入使用。

　　1 航空發動機設計模型及其試車半物理仿真系統

　　1.1 航空發動機設計模型

　　航空發動機的性能指標包含溫度、流量、壓力、振動、頻率等多種物理量，涉及到的試車參數有近千個。這些物理量之間存在耦合關系，而物理量之間均與時間相關，通過時間將物理量關聯起來。一般的仿真性能計算往往只考慮某些狀態或少數物理量之間的耦合，極少將發動機控制系統考慮在內。

　　本研究仿真試車臺上使用的某航空發動機數學模型包含了控制系統模型和發動機性能模型，包含多物理量的耦合計算，因此基于該設計模型可構建閉環的仿真環境，對發動機各種工況下的工作過程進行仿真。此外，該模型可支持故障植入，實現對故障過程的仿真以及對操作者故障處理技能的培訓。

　　1.2 航空發動機試車半物理仿真系統

　　航空發動機試車半物理仿真系統由軟件和硬件兩部分組成，在現有的發動機數學模型基礎上，開發試車數據采集控制軟件、數據計算與計算調度軟件、數據輸入/輸出管理軟件，實現對發動機起動、轉速的實時控制和運行狀態信息的采集，并對數據進行計算，根據計算后的輸入數據輸出相關數據驅動3D模型實時變化來仿真真實試車情況。其操作與顯示方式與真實試車臺完全一致，區別僅在于：虛擬發動機模型代替真實發動機，虛擬試車場景代替真實試車環境。其軟硬件組成示意如圖1所示。

　　1.2.1 試車半物理仿真系統功能

　　系統的目標是為試車臺操作人員提供與真實試車臺操縱間高度相似的半物理虛擬仿真環境，包括操縱臺、油門桿、按鈕、指示燈、數字顯示屏，以及虛擬的三維發動機展示模型、試車臺輔助工藝系統的運行狀態示意圖等。

　　半物理仿真環境的后臺集成了航空發動機數字模型、虛擬現實接口程序和數據采集模塊，可對真實的航空發動機試車過程進行仿真，從而可用于發動機研發過程的試車操作培訓、故障排除訓練、試車過程分析等。除試車人員技能培訓外，借助現有的三維視景系統(CAVE)，該仿真平臺也可以完成試車臺工藝流程三維展示、真實試車過程的異地實時試車目擊、典型發動機性能故障模擬、真實試車數據的全過程再現等功能。

　　1.2.2 系統硬件組成航空發動機半物理虛擬試車臺系統硬件

　　主要包括模擬操縱臺和CAVE顯示系統。

　　模擬操縱臺：

　　模擬試車臺主要由計算機子系統、控制子系統、操作控制裝置、輸出顯示裝置等構成。模擬試車臺是發動機試車過程中交互操作和仿真計算的主要承擔者，包括試車的各種設置操作、試車過程中的發動機控制操作、發動機工作性能仿真計算和各種數據處理及結果輸出。

　　CAVE系統：

　　本系統將使用CAVE虛擬現實系統進行試車過程的發動機狀態顯示、試車中心漫游、燃油子系統狀態顯示、空氣起動子系統狀態顯示和試車工藝流程顯示。

　　如圖1所示，本平臺的CAVE系統為典型的主從機架構，主從機通過局域網相連：主機負責對外通信和交互操作，它控制3臺從機完成3個通道的顯示輸出。3個從機(圖形顯示輸出終端)分別是：1號機負責左側小屏幕輸出;2號機負責正面大屏幕輸出;3號機負責下面大屏幕輸出。由于對外通信、交互操作只能在主機上進行，因此上述的5種顯示的設置與交互操作均需要在主機上進行，從機上根據主機的指令來顯示相關信息。因此對應的軟件模塊均需要是主從模式的，主控端和顯示端分別在主從機上運行。

　　推薦閱讀：《航空工程進展》(季刊)創刊于2010年，是由中國航空學會西北工業大學主辦的航空刊物。辦刊宗旨是反映我國航空科技與工程領域的最新成果。

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