趙 亮 高 龍 陶 劍/文

美國空軍2013年發(fā)布的《全球地平線》頂層科技規(guī)劃中，將數(shù)字線索和數(shù)字孿生視為“改變游戲規(guī)則”的顛覆性機遇，并從2014財年起組織洛克希德·馬丁、波音等公司開展了一系列應用研究項目，已陸續(xù)取得成果。據(jù)美國《航空周刊》預測，“到2035年，當航空公司接收一架飛機時，還會同時驗收另外一套數(shù)字模型。每一架飛機都對應有一套非常詳細的數(shù)字模型”。數(shù)字孿生和數(shù)字鏈技術將改變未來飛機的生產(chǎn)和使用方式，而應用此技術的NMA項目也將為民機制造領域翻開新的篇章。

NASA和美國空軍認為，未來下一代裝備/飛行器比起目前的裝備面臨著更高的負載、更嚴酷的使用環(huán)境、更長的服役周期，需要更輕的質(zhì)量。目前的驗證方法、管理和維護很大程度上基于材料屬性的統(tǒng)計分布、啟發(fā)式設計理念、物理試驗，以及假設試驗與使用環(huán)境的相似性，而這些理念和方法可能無法滿足下一代裝備的需求。為解決傳統(tǒng)方法的不足，需要進行基礎范式的轉(zhuǎn)變，這一范式轉(zhuǎn)變就是數(shù)字孿生。利用數(shù)字孿生技術監(jiān)測其飛行實體的壽命，可使飛行器安全性和可靠性達到前所未有的水平。

基于數(shù)字孿生開展故障預測的發(fā)展趨勢

航空機載設備是裝備進行使用的基本單元，如果設備在使用過程中未進行有效的維護，可能會失效或者發(fā)生故障，對用戶來說，這不僅會增加相應的維護成本，還會影響裝備的使用，降低戰(zhàn)斗力；另一方面，如果維修過于頻繁，會導致維修的低效或者無效，造成維修資源的浪費。因此，通過對設備進行合理有效的維護來降低設備故障率，成為設備制造企業(yè)降低維護成本、用戶提高維修能力的重要手段之一。由于航空產(chǎn)品利益有關方對及時、準確維修能力的需求，故障診斷領域測研究重點已逐步轉(zhuǎn)向狀態(tài)監(jiān)測、預測性維修和故障早期診斷。目前，基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品狀態(tài)監(jiān)控和預測已成為國內(nèi)外研究的重點方向。

在美軍飛機機體機構壽命預測過程中，信息要在多個物理模型之間傳遞，無法同步加載應力-溫度-化學載荷譜，以及未考慮歷史應力數(shù)據(jù)對損傷的影響，會導致計算結(jié)果比較保守，飛機重量比實際需要的重，檢查也比實際需要頻繁。隨著高性能計算的發(fā)展，美軍提出利用數(shù)字孿生開展機體結(jié)構壽命預測，主要包括：

多物理模型融合。將結(jié)構動力學模型SDM、應力分析模型SAM、疲勞斷裂模型FCM及其他可能的材料狀態(tài)演化模型集成到一個統(tǒng)一的結(jié)構模型中，并與CFD數(shù)字孿生緊耦合，實現(xiàn)多物理模型融合。同時，建立飛機STC載荷譜，并隨飛機使用和損傷的發(fā)展進行調(diào)整。

根據(jù)實際飛行任務預測剩余壽命。在虛擬飛行過程中，數(shù)字孿生模型會記錄飛行過程及所有結(jié)構部件的材料狀態(tài)和損壞情況。利用這兩組信息，嵌入在數(shù)字孿生模型中的損傷模型預測材料狀態(tài)的演化和損傷進展。虛擬飛行完成后，輸出飛行器剩余使用壽命的預期概率分布。

美軍基于數(shù)字孿生機體壽命預測過程

虛實映射的數(shù)字孿生優(yōu)化。飛機跟蹤和結(jié)構健康管理系統(tǒng)在飛行過程中對選定位置的應變歷史進行感知和記錄，將虛擬和實體飛機記錄的應變進行比較，通過貝葉斯更新等數(shù)學過程，分析虛實狀態(tài)的差異，對數(shù)字孿生模型進行優(yōu)化。飛機服役時間越長，數(shù)字孿生模型就越可靠。

預測維護需求和維修成本。數(shù)字孿生可以執(zhí)行計劃任務中所有的飛行過程，預測飛機在此期間的維護需求和維修成本。通過對編隊中每架飛機的數(shù)字孿生建模，可以估計編隊在這段時間內(nèi)的保障需求。維修活動和部件更換可以通過數(shù)字孿生數(shù)據(jù)更新來反映，實現(xiàn)對單架飛機的配置管控。

飛行任務計劃安排。數(shù)字孿生可以把材料的屬性、制造和裝配方法信息的不完整性，以及飛行中的不確定性轉(zhuǎn)化為獲得各種結(jié)構輸出結(jié)果的概率，從而分析機體滿足任務要求的可能性，考慮是否將該特定飛機派往該特定任務。

我國航空產(chǎn)品基于數(shù)字孿生壽命預測思路

目前，裝備的維修方式主要有事后維修、預防性維修和狀態(tài)維護。狀態(tài)維護就是通過傳感器獲得設備的實時狀態(tài)信息，監(jiān)測設備的工作狀態(tài)及環(huán)境，利用先進的數(shù)據(jù)處理技術對監(jiān)測到的設備信息進行分析，從而獲得當前的健康診斷狀況，并通過一系列設備診斷預測方法來預測設備的有效壽命，合理地確定設備的維修計劃。

針對航空機載設備維修保障的問題，在充分利用現(xiàn)有模型、數(shù)據(jù)基礎上，我們力圖提出航空機載設備基于數(shù)字孿生的壽命預測過程，從而實現(xiàn)模擬、監(jiān)控、診斷、預測和控制航空機載設備在現(xiàn)實環(huán)境中的過程和行為，以便有效指導備件管理和維修。

建立孿生模型。基于設計信息建立產(chǎn)品準確的三維數(shù)字化模型，并通過相應的失效機理分析，進行相應的多物理仿真建模，結(jié)合產(chǎn)品構型數(shù)據(jù)和制造數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對物理實體一對一的數(shù)字化表達。

一是建立航空產(chǎn)品三維模型。根據(jù)產(chǎn)品的設計圖、電路圖、裝配圖等，建立電子、機械產(chǎn)品三維模型，并對各級產(chǎn)品的屬性進行標注，準確表達產(chǎn)品結(jié)構、尺寸，尤其是關鍵特征參數(shù)。

二是故障及機理分析。根據(jù)外場數(shù)據(jù)和FMEA分析，梳理典型高發(fā)的故障模式，建立產(chǎn)品典型的故障模式及原因分類庫，分析產(chǎn)品的工作和環(huán)境載荷，開展失效機理分析，如焊點疲勞、零件磨損和橡膠老化等，確定關鍵特征應力參數(shù)。

三是多物理仿真建模。綜合考慮產(chǎn)品中的機械、電子產(chǎn)品的多物理結(jié)構，開展熱仿真、機械仿真、電磁仿真等，建立系統(tǒng)級的多物理多應力下的仿真模型，給出環(huán)境和工作載荷下，系統(tǒng)各組成部分的實時應力云圖，以及系統(tǒng)故障在各物理組成部分之間的傳遞關系，對系統(tǒng)故障進行判斷。

四是建立基準模型。根據(jù)產(chǎn)品各類試驗結(jié)果，對產(chǎn)品的關鍵特征參數(shù)、應力及失效機理模型進行修正，最終形成產(chǎn)品的基準模型。同時，根據(jù)產(chǎn)品設計更改情況，對產(chǎn)品三維模型進行同步更改，保持虛擬模型與實際研制過程的技術狀態(tài)一致。

五是建立數(shù)字孿生模型。根據(jù)產(chǎn)品制造過程中的實際制造數(shù)據(jù)，對基準模型中的相應參數(shù)進行更新，從而建立與實體產(chǎn)品一一對應的數(shù)字孿生模型。重新進行仿真計算，確定產(chǎn)品受力云圖，以及典型應力下的初始壽命。

基于孿生模型的壽命預測。在使用階段，通過外場傳感器、故障數(shù)據(jù)挖掘與分析，不斷對模型進行優(yōu)化，最終實現(xiàn)對產(chǎn)品物理實體的完全和精確描述，實現(xiàn)虛實映射與數(shù)據(jù)交互，同時，通過對產(chǎn)品物理實體使用數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)的更新，進行壽命耗損計算，評估產(chǎn)品剩余壽命，指導維修決策。

一是外場環(huán)境數(shù)據(jù)分析與處理。收集飛機外場任務的飛參數(shù)據(jù)，利用線性回歸、支持向量機或人工神經(jīng)網(wǎng)絡等方法，對飛參數(shù)據(jù)進行深度挖掘，建立飛機飛行任務和所受環(huán)境載荷之間的關聯(lián)關系，為機載產(chǎn)品的壽命預測提供基礎。

二是壽命損傷模型計算。根據(jù)每次任務飛行的環(huán)境載荷數(shù)據(jù)，計算每次任務飛行的壽命耗損。將每次任務時間t的平臺環(huán)境數(shù)據(jù)輸入仿真模型，重新進行計算，得到關鍵件的計算結(jié)果T，則單位時間耗損為t/T。剩余壽命：Tleft=（1-t/T）T0，T0：初始壽命，t：任務時間，T：實際環(huán)境下的仿真結(jié)果。每次飛行后，計算壽命耗損情況?；蛘邤M合外場環(huán)境與壽命之間的響應面模型，利用響應面模型對每次飛行后的壽命耗損情況進行計算。

三是孿生模型優(yōu)化及更新。收集外場使用數(shù)據(jù)（包括各類傳感器數(shù)據(jù)），通過對數(shù)據(jù)進行深度學習及優(yōu)化算法研究（如粒子群優(yōu)化），對數(shù)字孿生模型進行優(yōu)化。同時根據(jù)飛機的使用和維護信息，對模型的各類指標和技術狀態(tài)進行及時更新，保證模型與物理實體的一致。

需突破的關鍵技術。為建立航空產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型，需要突破一些關鍵技術：

一是高保真數(shù)字孿生建模技術。研究機械、電子、電磁等多專業(yè)模型之間的接口與耦合方法，以及流體動力學、結(jié)構動力學、熱力學、應力分析和疲勞斷裂等物理模型的耦合與集成，根據(jù)裝備各層級設備類型，建立高保真、多尺度的數(shù)字孿生模型，保證模型穩(wěn)定性、準確性和收斂性。

二是基于虛實映射的數(shù)字孿生模型優(yōu)化技術。利用物理實體的傳感器數(shù)據(jù)和數(shù)字孿生模型計算的數(shù)據(jù)，研究優(yōu)化參數(shù)和特征變量確定方法，通過構建參數(shù)方程和目標函數(shù)，結(jié)合粒子群優(yōu)化等算法，對數(shù)字孿生模型進行優(yōu)化，確保數(shù)字孿生模型對狀態(tài)變化的響應與物理系統(tǒng)的響應保持一致。

三是基于數(shù)字孿生的故障狀態(tài)監(jiān)測技術。基于數(shù)字孿生的狀態(tài)數(shù)據(jù)，研究大數(shù)據(jù)關聯(lián)挖掘算法，對全狀態(tài)量數(shù)據(jù)進行關聯(lián)性深度挖掘，提取特征數(shù)據(jù)，建立全參數(shù)的關聯(lián)規(guī)則、開展狀態(tài)量關聯(lián)度分析及其加權，結(jié)合數(shù)字孿生體的物理模型，定義設備的運行和故障狀態(tài)，分析監(jiān)控狀態(tài)和故障之間的關聯(lián)關系，對未來故障情況進行監(jiān)控和預測。

四是基于數(shù)字孿生的剩余壽命預測技術。在數(shù)字孿生模型基礎上，研究結(jié)構有限元與損傷模型集成方法，分析多應力耦合情況下，模型累積損傷計算方法，研究累積損傷計算的代理響應面模型，實時/周期計算實際任務剖面下各類載荷的累積損傷，實現(xiàn)剩余壽命實時/周期預測。

在航空產(chǎn)品壽命預測中使用數(shù)字孿生技術，能夠大大降低航空產(chǎn)品研制、維修成本，推動航空產(chǎn)品研制和使用維護由傳統(tǒng)模式向“預測型”模式轉(zhuǎn)變。（金航數(shù)碼科技公司 航空工業(yè)綜合技術研究所）

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