航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車半物理仿真技術(shù)

　　摘要 本文對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車過程的半物理仿真問題進(jìn)行了研究，提出基于某型發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)模型和大型CAVE環(huán)境的試車半物理仿真方發(fā)，解決了發(fā)動(dòng)機(jī)及子系統(tǒng)性能計(jì)算模型構(gòu)建、異地分布式半物理仿真系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)、CAVE環(huán)境中的基于發(fā)動(dòng)機(jī)3D模型的試車數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可視化等關(guān)鍵問題，為正在研制的某型發(fā)動(dòng)機(jī)試車半物理仿真系統(tǒng)奠定了理論和方法基礎(chǔ)。

　　【關(guān)鍵詞】航空發(fā)動(dòng)機(jī) 發(fā)動(dòng)機(jī)試車 半物理仿真 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可視化 虛擬現(xiàn)實(shí)

　　航空發(fā)動(dòng)機(jī)屬于技術(shù)含量極高的復(fù)雜產(chǎn)品，研制周期長且代價(jià)高昂，因此研制過程廣泛使用各類仿真技術(shù)，近年來發(fā)動(dòng)機(jī)試車也開始應(yīng)用仿真技術(shù)。

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，仿真技術(shù)也得到了長足的發(fā)展。早期仿真主要是依托數(shù)學(xué)模型的計(jì)算仿真，結(jié)果數(shù)據(jù)處理較為繁瑣，通常是事后進(jìn)行專門的結(jié)果數(shù)據(jù)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(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展為仿真提供了新手段，3D幾何模型可將仿真對(duì)象的形狀/結(jié)構(gòu)直觀地表達(dá)出來，仿真結(jié)果除了可以使用2D表達(dá)方式以外，還可以仿真對(duì)象的行為方式直接表達(dá)，如發(fā)動(dòng)機(jī)噴口收/擴(kuò)動(dòng)作、各類閥門的開關(guān)動(dòng)作等。而3D數(shù)據(jù)可視化技術(shù)、特別是矢量場、標(biāo)量場可視化技術(shù)則可以表達(dá)更為復(fù)雜的瞬態(tài)3D場數(shù)據(jù)，將它們與3D幾何模型結(jié)合即可將仿真對(duì)象的各種行為形象地表現(xiàn)出來。

　　航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試車，試車的風(fēng)險(xiǎn)和難度都非常的高，同時(shí)也要求試車操作人員能夠熟練操作，若操作失誤或未及時(shí)處理突發(fā)事件則可能引起重大事故。培養(yǎng)試車人員需要時(shí)間和成本，甚至存在一定風(fēng)險(xiǎn)。目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)的功能與性能仿真已經(jīng)大量應(yīng)用，并具有一定的成熟度，國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)、空軍工程大學(xué)等單位都對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬仿真、半物理仿真有較長時(shí)間的研究，并在一些航空發(fā)動(dòng)機(jī)本體仿真、控制系統(tǒng)的研發(fā)中得到應(yīng)用。

　　航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(xùn)和考核試車人員，不僅要求仿真過程響應(yīng)快速、計(jì)算準(zhǔn)確，而且人的操作過也需要進(jìn)行高相似度仿真。國內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車仿真方面的研究較少，西安航空學(xué)院在2014年建立了國內(nèi)首個(gè)“某軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)半物理仿真裝置”，其發(fā)動(dòng)機(jī)半物理仿真裝置軟件系統(tǒng)，使用了基于具有某軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的大量整機(jī)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)建立的試驗(yàn)?zāi)Ｐ�，虛擬技術(shù)應(yīng)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(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)模型及其試車半物理仿真系統(tǒng)

　　1.1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)模型

　　航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)包含溫度、流量、壓力、振動(dòng)、頻率等多種物理量，涉及到的試車參數(shù)有近千個(gè)。這些物理量之間存在耦合關(guān)系，而物理量之間均與時(shí)間相關(guān)，通過時(shí)間將物理量關(guān)聯(lián)起來。一般的仿真性能計(jì)算往往只考慮某些狀態(tài)或少數(shù)物理量之間的耦合，極少將發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)考慮在內(nèi)。

　　本研究仿真試車臺(tái)上使用的某航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型包含了控制系統(tǒng)模型和發(fā)動(dòng)機(jī)性能模型，包含多物理量的耦合計(jì)算，因此基于該設(shè)計(jì)模型可構(gòu)建閉環(huán)的仿真環(huán)境，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各種工況下的工作過程進(jìn)行仿真。此外，該模型可支持故障植入，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障過程的仿真以及對(duì)操作者故障處理技能的培訓(xùn)。

　　1.2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車半物理仿真系統(tǒng)

　　航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車半物理仿真系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成，在現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，開發(fā)試車數(shù)據(jù)采集控制軟件、數(shù)據(jù)計(jì)算與計(jì)算調(diào)度軟件、數(shù)據(jù)輸入/輸出管理軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制和運(yùn)行狀態(tài)信息的采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算后的輸入數(shù)據(jù)輸出相關(guān)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)3D模型實(shí)時(shí)變化來仿真真實(shí)試車情況。其操作與顯示方式與真實(shí)試車臺(tái)完全一致，區(qū)別僅在于：虛擬發(fā)動(dòng)機(jī)模型代替真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)，虛擬試車場景代替真實(shí)試車環(huán)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(tǒng)功能

　　系統(tǒng)的目標(biāo)是為試車臺(tái)操作人員提供與真實(shí)試車臺(tái)操縱間高度相似的半物理虛擬仿真環(huán)境，包括操縱臺(tái)、油門桿、按鈕、指示燈、數(shù)字顯示屏，以及虛擬的三維發(fā)動(dòng)機(jī)展示模型、試車臺(tái)輔助工藝系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)示意圖等。

　　半物理仿真環(huán)境的后臺(tái)集成了航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字模型、虛擬現(xiàn)實(shí)接口程序和數(shù)據(jù)采集模塊，可對(duì)真實(shí)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車過程進(jìn)行仿真，從而可用于發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過程的試車操作培訓(xùn)、故障排除訓(xùn)練、試車過程分析等。除試車人員技能培訓(xùn)外，借助現(xiàn)有的三維視景系統(tǒng)(CAVE)，該仿真平臺(tái)也可以完成試車臺(tái)工藝流程三維展示、真實(shí)試車過程的異地實(shí)時(shí)試車目擊、典型發(fā)動(dòng)機(jī)性能故障模擬、真實(shí)試車數(shù)據(jù)的全過程再現(xiàn)等功能。

　　1.2.2 系統(tǒng)硬件組成航空發(fā)動(dòng)機(jī)半物理虛擬試車臺(tái)系統(tǒng)硬件

　　主要包括模擬操縱臺(tái)和CAVE顯示系統(tǒng)。

　　模擬操縱臺(tái)：

　　模擬試車臺(tái)主要由計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、操作控制裝置、輸出顯示裝置等構(gòu)成。模擬試車臺(tái)是發(fā)動(dòng)機(jī)試車過程中交互操作和仿真計(jì)算的主要承擔(dān)者，包括試車的各種設(shè)置操作、試車過程中的發(fā)動(dòng)機(jī)控制操作、發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能仿真計(jì)算和各種數(shù)據(jù)處理及結(jié)果輸出。

　　CAVE系統(tǒng)：

　　本系統(tǒng)將使用CAVE虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行試車過程的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)顯示、試車中心漫游、燃油子系統(tǒng)狀態(tài)顯示、空氣起動(dòng)子系統(tǒng)狀態(tài)顯示和試車工藝流程顯示。

　　如圖1所示，本平臺(tái)的CAVE系統(tǒng)為典型的主從機(jī)架構(gòu)，主從機(jī)通過局域網(wǎng)相連：主機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)外通信和交互操作，它控制3臺(tái)從機(jī)完成3個(gè)通道的顯示輸出。3個(gè)從機(jī)(圖形顯示輸出終端)分別是：1號(hào)機(jī)負(fù)責(zé)左側(cè)小屏幕輸出;2號(hào)機(jī)負(fù)責(zé)正面大屏幕輸出;3號(hào)機(jī)負(fù)責(zé)下面大屏幕輸出。由于對(duì)外通信、交互操作只能在主機(jī)上進(jìn)行，因此上述的5種顯示的設(shè)置與交互操作均需要在主機(jī)上進(jìn)行，從機(jī)上根據(jù)主機(jī)的指令來顯示相關(guān)信息。因此對(duì)應(yīng)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(jī)上運(yùn)行。

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