張世英，羅方正，胡 宇，朱杰堂

(第二炮兵工程大學(xué)，西安 710025)

0 引言

虛擬試驗是打通數(shù)字化設(shè)計與實物試驗之間的一個重要環(huán)節(jié)[1]。在傳統(tǒng)的航空航天領(lǐng)域，由于必須進(jìn)行大量大尺寸的實物實驗[2]，航空發(fā)動機(jī)研制具有技術(shù)難度大、周期長、費用高的特點[3]。國外先進(jìn)國家將以建模仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的虛擬試驗技術(shù)融入到航空發(fā)動機(jī)等武器系統(tǒng)的研制過程中，部分取代實物實驗，實踐證明:采用先進(jìn)的虛擬試驗技術(shù)是克服巨額投資、縮短研制周期、彌補(bǔ)大型試驗設(shè)施能力不足的主要技術(shù)途徑[4]。例如，美國在研制第四代攻擊機(jī)F-35項目時就提出“從設(shè)計到飛行試驗全面數(shù)字化”，研制周期比F-22縮短一半，風(fēng)洞吹風(fēng)試驗減少75%，試飛飛行架次減少40%，定型試驗周期縮短30%[5]。相對而言，我國虛擬試驗和虛擬測試技術(shù)還處于起步階段，特別是發(fā)動機(jī)研制上更是如此，還沒有建立相關(guān)的軟硬件基礎(chǔ)，尚不具備系統(tǒng)地開展虛擬試驗和虛擬測試的能力[5]。

為此，文中針對某型渦扇發(fā)動機(jī)，以其非線性模型作為虛擬樣機(jī)，結(jié)合MVC設(shè)計模式和LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺，構(gòu)建了一個渦扇發(fā)動機(jī)總體性能虛擬試驗平臺，可進(jìn)行渦扇發(fā)動機(jī)總體性能虛擬試驗和相關(guān)性能分析。

1 平臺總體結(jié)構(gòu)

虛擬試驗平臺是一個復(fù)雜的虛擬仿真系統(tǒng)，組成要素眾多，且各要素間有很強(qiáng)的耦合性。因而，渦扇發(fā)動機(jī)虛擬試驗平臺的研究重點是如何設(shè)計合理的架構(gòu)，使得在虛擬試驗平臺中可以方便的集成不同的虛擬試驗分析工具和渦扇發(fā)動機(jī)試驗?zāi)Ｐ?，以便進(jìn)行多學(xué)科協(xié)同虛擬試驗，并且能夠在虛擬試驗平臺上進(jìn)行各類專用虛擬試驗環(huán)境的二次開發(fā)，使平臺具有更好的可擴(kuò)展性[1]。為此，渦扇發(fā)動機(jī)總體性能虛擬試驗平臺按照MVC設(shè)計模式進(jìn)行。整個虛擬試驗平臺分為三層，包括模型層、試驗控制層和用戶界面層，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用MVC設(shè)計模式，可以使整個試驗平臺具有以下兩個優(yōu)點:

圖1 虛擬試驗平臺總體結(jié)構(gòu)

1)高復(fù)用性和可擴(kuò)展性。在MVC設(shè)計模式中，渦扇發(fā)動機(jī)模型是整個試驗平臺的基礎(chǔ)?；谕荒Ｐ?，針對不同的應(yīng)用需求，可以開發(fā)不同的應(yīng)用模塊，使得仿真模型代碼的復(fù)用性好，應(yīng)用模塊的可擴(kuò)展性好，從而減小了平臺的設(shè)計難度和工作量。

2)低耦合性。將模型和應(yīng)用模塊分離，這樣就允許模型和應(yīng)用模塊獨立更改代碼，只需要修改相關(guān)配置即可。同樣，添加新的應(yīng)用模塊也不會對模型層產(chǎn)生影響。模型層與應(yīng)用層的分離，使得虛擬試驗平臺可以單獨修改、增添發(fā)動機(jī)模型和應(yīng)用模塊。

2 虛擬試驗平臺的實現(xiàn)

MVC設(shè)計模式基于3個層次展開，因此虛擬試驗平臺的設(shè)計重點就是設(shè)計和實現(xiàn)這3個層次的軟硬件結(jié)構(gòu)與功能，下面分別對各個層次實現(xiàn)做逐一說明。

2.1 模型層

模型層是整個虛擬試驗平臺的基礎(chǔ)，在MVC設(shè)計模式中，實現(xiàn)Model層的功能，用以模擬真實渦扇發(fā)動機(jī)。發(fā)動機(jī)模型在航空發(fā)動機(jī)研制和改進(jìn)過程中有著不可替代的重要作用，文中針對某型渦扇發(fā)動機(jī)，建立其部件級非線性模型作為模型層的基礎(chǔ)。

近年來，針對現(xiàn)有基于FORTRAN或C語言等編寫的部件級模型存在缺少分析工具且可視化程度不高的不足[6]，NASA利用MATLAB/SIMULINK成功地開發(fā)了MAPSS和C-MAPSS系統(tǒng)級仿真平臺，通過可視化的用戶界面，這些平臺可以方便的應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)控制算法、故障診斷等領(lǐng)域的研究[7]。因此，文中采用基于MATLAB/SIMULINK這種面向圖形對象的、高度可視化的建模仿真工具，采用模塊化的建模方法，建立了某型雙軸渦扇發(fā)動機(jī)部件級數(shù)值仿真模型。這種模塊化建模方法主要有以下兩個優(yōu)點:一是減小了不同部件模塊間的耦合性，便于對各模塊代碼進(jìn)行修改和管理;二是通過可視化的建模界面，降低了發(fā)動機(jī)部件級建模的難度。模型層總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖3為以MATLAB/SIMULINK開發(fā)的發(fā)動機(jī)部件級模型。

圖2 模型層總體結(jié)構(gòu)

圖3 發(fā)動機(jī)部件級模型

2.2 試驗控制層

試驗控制層是試驗平臺的核心，主要實現(xiàn) Controller層的功能。在虛擬試驗平臺中用于控制整個平臺實驗進(jìn)程和數(shù)據(jù)存儲與傳輸，主要由試驗配置、進(jìn)程控制和數(shù)據(jù)傳遞與緩存三大功能模塊組成。圖4為試驗控制層的總體結(jié)構(gòu)。

其中，進(jìn)程控制模塊是控制層內(nèi)部的控制核心，用于接收用戶界面層發(fā)出的各種指令，并將指令轉(zhuǎn)譯為內(nèi)部指令，傳遞給試驗配置模塊，啟動發(fā)動機(jī)虛擬試驗。試驗配置模塊在接收進(jìn)程控制模塊指令后主要完成以下3個進(jìn)程:一是針對用戶需求確定試驗類型;二是在特定試驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)虛擬試驗的高度和馬赫數(shù)，導(dǎo)入發(fā)動機(jī)實際試車數(shù)據(jù);三是完成試驗初始化設(shè)置，為試驗計算仿真奠定基礎(chǔ)。

圖4 試驗控制層總體結(jié)構(gòu)

控制層內(nèi)部的核心進(jìn)程是調(diào)用發(fā)動機(jī)MATLAB/SIMULINK仿真模型，進(jìn)行虛擬試驗仿真計算，而后將試驗結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)傳遞/緩存模塊，并實時將數(shù)據(jù)傳遞回用戶界面層進(jìn)行后處理和顯示。在這一過程中，控制層主要通過調(diào)用用戶界面層 LabVIEW界面(相關(guān)內(nèi)容參看2.3節(jié))與MATLAB環(huán)境混合仿真實現(xiàn)仿真計算，并利用內(nèi)部控制模塊進(jìn)行進(jìn)程控制和數(shù)據(jù)傳遞，完成發(fā)動機(jī)虛擬試驗。

2.3 用戶界面層

用戶界面層為用戶提供可視化交互式人機(jī)界面，實現(xiàn)虛擬試驗平臺中View層的功能?？傮w而言，用戶界面層主要實現(xiàn)兩大功能:一是提供試驗的控制和監(jiān)控界面，完成對試驗的控制設(shè)定和發(fā)動機(jī)的各個截面工作參數(shù)實時監(jiān)控;二是為與外界互聯(lián)提供通用接口，如試驗調(diào)試系統(tǒng)、性能評估系統(tǒng)和故障診斷系統(tǒng)，以擴(kuò)展虛擬試驗平臺的功能。圖5展示了用戶界面層總體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部基本功能模塊。

圖5 用戶界面層總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計用戶界面層最為核心的任務(wù)，就是設(shè)計可視化的人機(jī)交互式界面。由于虛擬試驗平臺工作時，界面層需要采集和顯示大量的發(fā)動機(jī)工作截面和性能參數(shù)，同時為了使界面清晰簡潔，更為人性化，文中采用虛擬儀器開發(fā)領(lǐng)域的佼佼者LabVIEW虛擬環(huán)境作為設(shè)計平臺[8]，充分的利用其優(yōu)秀的圖形化編程語言設(shè)計虛擬試驗平臺的人機(jī)交互界面[9]，并利用其與MATLAB平臺的混合仿真技術(shù)，實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型的調(diào)用，完成發(fā)動機(jī)總體性能試驗和性能分析試驗。圖6為虛擬試驗平臺的LabVIEW界面。圖7為虛擬試驗平臺主要的LabVIEW程序界面。

圖6 虛擬試驗平臺LabVIEW界面

圖7 虛擬試驗平臺LabVIEW程序界面

3 發(fā)動機(jī)總體性能虛擬試驗

3.1 總體性能虛擬試驗

實際試車過程中，實驗的進(jìn)行通常需要嚴(yán)格而苛刻的條件，通過虛擬仿真試驗，不僅能夠在相同條件下重復(fù)進(jìn)行相同的試驗，還能極大地降低成本和風(fēng)險。

渦扇發(fā)動機(jī)總體性能虛擬試驗分為以下3個方面:

1)發(fā)動機(jī)設(shè)計點性能試驗;

2)飛行包線內(nèi)，給定高度、馬赫數(shù)和燃油流量時，發(fā)動機(jī)非設(shè)計點性能試驗;

3)飛行包線內(nèi)，給定高度和馬赫數(shù)，燃油流量變化時，發(fā)動機(jī)瞬態(tài)性能試驗。

渦扇發(fā)動機(jī)虛擬試驗的試驗操作都是通過Lab-VIEW界面來完成。用戶只需要進(jìn)行4步操作即可完成虛擬試驗。1)設(shè)置高度和馬赫數(shù)(即發(fā)動機(jī)工作環(huán)境設(shè)定);2)進(jìn)行試驗配置，為虛擬試驗準(zhǔn)備數(shù)據(jù);3)進(jìn)行虛擬試驗，監(jiān)控發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)點性能參數(shù)和瞬態(tài)點性能參數(shù)的變化值;4)導(dǎo)入發(fā)動機(jī)試車數(shù)據(jù)，進(jìn)行虛擬試驗性能分析。

3.2 穩(wěn)態(tài)性能試驗分析

針對某型渦扇發(fā)動機(jī)，按照其設(shè)計點和非設(shè)計點的參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行了設(shè)計點與非設(shè)計點總體性能虛擬試驗。表1為設(shè)計點時，發(fā)動機(jī)各個截面工作參數(shù)在虛擬試驗和試車實驗的結(jié)果對比;表2為包線內(nèi)某一非設(shè)計點，發(fā)動機(jī)各個截面工作參數(shù)在虛擬試驗和試車試驗的結(jié)果對比。由結(jié)果可以看出，虛擬試驗和試車結(jié)果基本吻合。

表1 設(shè)計點虛擬試驗和試車結(jié)果對比

表2 非設(shè)計點虛擬試驗和試車結(jié)果對比

3.3 瞬態(tài)性能試驗分析

針對某型渦扇發(fā)動機(jī)，在飛行包線內(nèi)，某一高度和馬赫數(shù)下，燃油流量按設(shè)定規(guī)律變化時，發(fā)動機(jī)高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速實際試車和虛擬試驗的結(jié)果對比如圖8和圖9所示。試驗結(jié)果表明:在一定的誤差范圍內(nèi)，虛擬試驗的發(fā)動機(jī)性能變化規(guī)律和試車試驗規(guī)律的變化趨勢基本相符。

圖8 虛擬試驗和試車實驗低壓轉(zhuǎn)速變化規(guī)律

圖9 虛擬試驗和試車實驗高壓轉(zhuǎn)速變化規(guī)律

4 結(jié)論

針對渦扇發(fā)動機(jī)研制技術(shù)難度大、研制周期長、研制費用高的問題，構(gòu)建了一個渦扇發(fā)動機(jī)總體性能虛擬試驗平臺。虛擬試驗平臺總體遵循MVC設(shè)計模式，增加了試驗平臺模型的可復(fù)用性和應(yīng)用模塊的可擴(kuò)展性。模型層以MATLAB/SIMULINK混合編程進(jìn)行建模;運用模塊化思想設(shè)計了3個功能模塊以實現(xiàn)試驗控制層的功能;用戶界面層采用業(yè)界流行的Lab-VIEW虛擬環(huán)境設(shè)計，具有良好的可視化效果和交互性，同時便于對平臺功能進(jìn)行拓展。利用試驗平臺對某型渦扇發(fā)動機(jī)總體性能進(jìn)行虛擬仿真試驗，結(jié)果表明試驗結(jié)果和試車結(jié)果基本吻合。因此，未來可以利用虛擬試驗平臺輔助實際發(fā)動機(jī)進(jìn)行實驗，探索出一條借助虛擬試驗技術(shù)推進(jìn)渦扇發(fā)動機(jī)研制的跨越式發(fā)展道路。

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