■ 高龍 侯晨光 陶劍 / 中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫局質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施效能研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

對(duì)設(shè)備進(jìn)行合理有效的維護(hù)來(lái)降低設(shè)備故障率，是降低維修成本，提高維修能力的重要手段之一。航空裝備維修體制正由三級(jí)變兩級(jí)、維修方式由定時(shí)向視情、壽命控制由機(jī)隊(duì)向單機(jī)的轉(zhuǎn)變，利用航空產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)資源，建立航空產(chǎn)品數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)航空產(chǎn)品物理實(shí)體和虛擬模型的實(shí)時(shí)映射，通過(guò)虛擬模型的仿真對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行單機(jī)質(zhì)量監(jiān)控，對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品故障，提高維修效率具有重要意義。

航空產(chǎn)品數(shù)字孿生模型構(gòu)建流程

數(shù)字孿生體[1]是指產(chǎn)品物理實(shí)體的工作進(jìn)展和工作狀態(tài)在虛擬空間的全要素重建及數(shù)字化映射，是一個(gè)集成的多物理、多尺度、超寫實(shí)、動(dòng)態(tài)概率仿真模型，可用來(lái)模擬、監(jiān)控、診斷、預(yù)測(cè)、控制產(chǎn)品物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的形成過(guò)程、狀態(tài)和行為。產(chǎn)品數(shù)字孿生體基于產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段生成的產(chǎn)品模型，并在隨后的產(chǎn)品制造和產(chǎn)品服務(wù)階段通過(guò)與產(chǎn)品物理實(shí)體之間的數(shù)據(jù)和信息交互，不斷提高自身的完整性和精確度，最終完成對(duì)產(chǎn)品物理實(shí)體的完全和精確描述。根據(jù)數(shù)字孿生的概念，航空產(chǎn)品全生命周期數(shù)字孿生模型構(gòu)建流程如圖1所示。

在設(shè)計(jì)階段，建立多物理的高保真仿真模型。將結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型（SDM）、應(yīng)力分析模型（SAM）、疲勞斷裂模型（FCM）以及其他可能的材料狀態(tài)演化模型集成到一個(gè)統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)模型中，并與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）數(shù)字孿生緊耦合，實(shí)現(xiàn)多物理模型融合。

圖1 航空產(chǎn)品數(shù)字孿生模型構(gòu)建流程

在試驗(yàn)階段，建立可靠性試驗(yàn)、強(qiáng)度試驗(yàn)等數(shù)字孿生模型，開(kāi)展基于數(shù)字孿生的虛擬試驗(yàn)過(guò)程，用于輔助試驗(yàn)設(shè)計(jì)，提高試驗(yàn)效果。同時(shí)，物理實(shí)驗(yàn)的結(jié)果將指導(dǎo)數(shù)字孿生模型進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

在制造階段，通過(guò)檢測(cè)/測(cè)量加工、裝配過(guò)程中的實(shí)際參數(shù)，一對(duì)一建立物理實(shí)體的數(shù)字孿生模型。

在使用階段，根據(jù)實(shí)際飛行任務(wù)預(yù)測(cè)剩余壽命。在虛擬飛行過(guò)程中，數(shù)字孿生模型記錄飛行過(guò)程，由嵌入在數(shù)字孿生模型中的損傷模型預(yù)測(cè)材料狀態(tài)的演化和損傷進(jìn)展。虛擬飛行完成后，輸出飛行器剩余使用壽命的預(yù)期概率分布。

在飛行過(guò)程中對(duì)選定位置的應(yīng)變歷史進(jìn)行感知和記錄，將虛擬和實(shí)體飛機(jī)記錄的應(yīng)變進(jìn)行比較，通過(guò)貝葉斯更新等數(shù)學(xué)過(guò)程，分析虛實(shí)狀態(tài)的差異，對(duì)數(shù)字孿生模型進(jìn)行優(yōu)化。

圖2 基準(zhǔn)模型構(gòu)建流程

基于數(shù)字孿生的單機(jī)質(zhì)量監(jiān)控方法

針對(duì)航空機(jī)載設(shè)備維修保障的問(wèn)題，在充分利用現(xiàn)有模型、數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出基于數(shù)字孿生的單機(jī)質(zhì)量監(jiān)控方法，從而實(shí)現(xiàn)模擬、監(jiān)控航空機(jī)載設(shè)備在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的過(guò)程和行為，有效指導(dǎo)維修保障活動(dòng)。

構(gòu)建基準(zhǔn)模型

基于設(shè)計(jì)信息建立準(zhǔn)確的產(chǎn)品三維數(shù)字化模型，基于歷史數(shù)據(jù)，在故障分析基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)的仿真分析模型，同時(shí)利用產(chǎn)品試驗(yàn)信息情況，對(duì)模型進(jìn)行修正，從而形成產(chǎn)品基準(zhǔn)模型，主要步驟如下（如圖2所示）。

一是建立航空產(chǎn)品三維模型。根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)圖、電路圖、裝配圖等，建立電子、機(jī)械產(chǎn)品三維模型，并對(duì)各級(jí)產(chǎn)品的屬性進(jìn)行標(biāo)注，準(zhǔn)確表達(dá)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、尺寸，尤其是關(guān)鍵特征參數(shù)。

二是故障及機(jī)理分析。根據(jù)外場(chǎng)數(shù)據(jù)和失效模式與影響分析（FMEA）報(bào)告，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(kù)，分析產(chǎn)品的工作和環(huán)境載荷，開(kāi)展失效機(jī)理分析，例如焊點(diǎn)疲勞、零件磨損和橡膠老化等，確定關(guān)鍵特征應(yīng)力參數(shù)。

三是多物理仿真建模。綜合考慮產(chǎn)品中的機(jī)械、電子產(chǎn)品的多物理結(jié)構(gòu)，開(kāi)展熱仿真、機(jī)械仿真、電磁仿真等，確定產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)，并評(píng)估可靠性或壽命指標(biāo)。

四是建立基準(zhǔn)模型。根據(jù)產(chǎn)品各類試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)產(chǎn)品的關(guān)鍵特征參數(shù)、應(yīng)力以及失效機(jī)理模型進(jìn)行修正，最終形成產(chǎn)品的基準(zhǔn)模型。

單機(jī)質(zhì)量監(jiān)控方法

在產(chǎn)品制造階段，通過(guò)產(chǎn)品構(gòu)型數(shù)據(jù)和制造數(shù)據(jù)，建立產(chǎn)品一對(duì)一數(shù)字孿生模型，給定初始評(píng)估結(jié)果；在使用階段，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品物理實(shí)體使用數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)的更新，進(jìn)行耗損量計(jì)算，評(píng)估產(chǎn)品剩余壽命，指導(dǎo)維修決策。主要步驟如下（如圖3所示）。

一是產(chǎn)品數(shù)字孿生模型建立。根據(jù)產(chǎn)品制造過(guò)程中實(shí)際制造數(shù)據(jù)，對(duì)基準(zhǔn)模型中的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行更新，從而建立與實(shí)體產(chǎn)品一一對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生模型。重新進(jìn)行仿真計(jì)算，確定產(chǎn)品受力云圖，以及典型應(yīng)力下的初始?jí)勖?/p>

二是外場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)分析與處理。收集飛機(jī)外場(chǎng)任務(wù)的實(shí)測(cè)飛參數(shù)據(jù)（高度、速度等）和平臺(tái)環(huán)境數(shù)據(jù)（振動(dòng)、溫度等），根據(jù)實(shí)測(cè)飛參數(shù)據(jù)和平臺(tái)環(huán)境數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，利用線性回歸、支持向量機(jī)或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法建立平臺(tái)環(huán)境預(yù)計(jì)模型；能夠根據(jù)收集到的飛機(jī)每周外場(chǎng)任務(wù)的飛參數(shù)據(jù)（高度、速度），利用建立好的平臺(tái)環(huán)境預(yù)計(jì)模型，預(yù)計(jì)飛機(jī)每周外場(chǎng)任務(wù)的平臺(tái)環(huán)境載荷。

三是累積損傷模型計(jì)算。根據(jù)每次任務(wù)飛行的平臺(tái)環(huán)境數(shù)據(jù)，計(jì)算每次任務(wù)飛行的耗損量以及剩余時(shí) 間 ——Tleft=（1-t/T）T0。 其 中，Tleft：剩余時(shí)間，t為實(shí)際任務(wù)時(shí)間，T為實(shí)際環(huán)境下的仿真結(jié)果，t/T為單位時(shí)間耗損，T0為初始評(píng)估結(jié)果（平均首發(fā)故障時(shí)間或壽命時(shí)間）。

應(yīng)用案例

以一型飛機(jī)機(jī)載電子設(shè)備為例說(shuō)明基于數(shù)字孿生模型進(jìn)行單機(jī)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)控過(guò)程。該型飛機(jī)在使用過(guò)程中，每天記錄各編號(hào)飛機(jī)使用數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)，利用設(shè)計(jì)和制造階段的數(shù)字孿生模型，可對(duì)薄弱環(huán)節(jié)的應(yīng)力損傷情況進(jìn)行定期更新，以實(shí)現(xiàn)對(duì)單機(jī)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控的目的（如圖4所示）。

在設(shè)計(jì)階段，通過(guò)FMEA分析以及相似產(chǎn)品外場(chǎng)故障數(shù)據(jù)等，分析機(jī)載電子設(shè)備潛在故障點(diǎn)可能存在的故障模式、故障機(jī)理，通過(guò)基于物理的電子產(chǎn)品可靠性分析方法[4]，得到以下分析結(jié)果見(jiàn)表1、表2（綜合環(huán)境剖面：高溫70℃，持續(xù)時(shí)間60min；低溫-55℃，持續(xù)時(shí)間60min；溫變時(shí)間分別為420min）。

圖3 航空產(chǎn)品數(shù)字孿生模型及應(yīng)用

圖4 一型飛機(jī)機(jī)載電子設(shè)備單機(jī)質(zhì)量監(jiān)控流程

表1 機(jī)載電子設(shè)備薄弱環(huán)節(jié)（部分）

表2 機(jī)載電子設(shè)備評(píng)估結(jié)果（部分）

表3 元器件技術(shù)狀態(tài)變化情況（部分）

表4 數(shù)字孿生模型薄弱環(huán)節(jié)（部分）

表5 數(shù)字孿生模型評(píng)估結(jié)果（部分）

在制造階段，由于技術(shù)狀態(tài)的變化，對(duì)部分元器件進(jìn)行了調(diào)整（見(jiàn)表3）。產(chǎn)品在制造出來(lái)的同時(shí)，建立其數(shù)字孿生模型。

對(duì)數(shù)字孿生模型重新進(jìn)行仿真計(jì)算，薄弱環(huán)節(jié)及評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表4、表5。

根據(jù)該型機(jī)載電子設(shè)備的裝機(jī)以及服役機(jī)場(chǎng)，收集實(shí)際使用任務(wù)數(shù)據(jù)，根據(jù)任務(wù)類型（如執(zhí)行A地轉(zhuǎn)場(chǎng)任務(wù)）以及該飛機(jī)的典型任務(wù)剖面（見(jiàn)表6，主要有短程、中程、遠(yuǎn)程、訓(xùn)練4個(gè)任務(wù)剖面），可以計(jì)算實(shí)際任務(wù)的任務(wù)剖面。

表6 飛機(jī)典型任務(wù)剖面

表7 飛機(jī)實(shí)際任務(wù)剖面

表8 機(jī)載電子設(shè)備評(píng)估結(jié)果（部分）

利用機(jī)載平臺(tái)環(huán)境（溫度、振動(dòng)）的預(yù)計(jì)方法[6-8]和計(jì)算的實(shí)際任務(wù)剖面數(shù)據(jù)，可以預(yù)計(jì)每次任務(wù)情況下的平臺(tái)環(huán)境（溫度、振動(dòng)）應(yīng)力結(jié)果，從而可以計(jì)算每次任務(wù)下的評(píng)估結(jié)果及耗損量。已知上述飛機(jī)在固定周期內(nèi)，共執(zhí)行2項(xiàng)任務(wù)（見(jiàn)表7）。

利用Miner線性累積損傷模型，將每次任務(wù)時(shí)間（t）的平臺(tái)環(huán)境數(shù)據(jù)輸入數(shù)字孿生模型，重新進(jìn)行計(jì)算，得到關(guān)鍵件的計(jì)算結(jié)果（T），則單位時(shí)間耗損量為t/T。根據(jù)公式Tleft=（1-t/T）T0（T0為初始評(píng)估平均首發(fā)故障時(shí)間，t為任務(wù)時(shí)間，T為實(shí)際環(huán)境下的仿真結(jié)果）和實(shí)際任務(wù)情況，計(jì)算耗損情況見(jiàn)表8。

最終求得，機(jī)載電子設(shè)備在該飛機(jī)固定周期內(nèi)執(zhí)行兩項(xiàng)任務(wù)的耗損量為2.8675×10-4，從而實(shí)現(xiàn)了單機(jī)平均首發(fā)故障時(shí)間的質(zhì)量監(jiān)控。

結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)數(shù)字孿生模型的定義及內(nèi)涵，本文提出了一種基于可靠性仿真模型進(jìn)行全生命周期擴(kuò)展，并通過(guò)外場(chǎng)實(shí)測(cè)環(huán)境進(jìn)行實(shí)際任務(wù)下環(huán)境應(yīng)力預(yù)計(jì)，計(jì)算相應(yīng)任務(wù)下的耗損量，進(jìn)行單機(jī)質(zhì)量監(jiān)控的方法，可初步實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的概念在航空產(chǎn)品上的應(yīng)用。但由于建模工具及方法的局限性，數(shù)字孿生模型的準(zhǔn)確性還有待加強(qiáng)，后續(xù)將深入研究多物理、多層級(jí)的高保真仿真模型以及有限元與損傷模型集成方法，分析多應(yīng)力耦合情況下，模型累積損傷計(jì)算方法，研究累積損傷計(jì)算的代理響應(yīng)面模型，實(shí)時(shí)計(jì)算實(shí)際任務(wù)剖面下各類載荷的累積損傷，實(shí)現(xiàn)剩余壽命實(shí)時(shí)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。