劉佳晨

摘要：航空發(fā)動機研制過程是一項跨學科的高度協(xié)同的復雜工程，隨著型號任務的不斷加劇，需要信息化的方法輔助協(xié)同設計。本文闡述了基于模型的系統(tǒng)工程方法，并借助此方法研究了多專業(yè)集成仿真平臺的體系架構(gòu)以及其技術(shù)路線，通過FMI標準接口，實現(xiàn)多專業(yè)聯(lián)合仿真，實現(xiàn)項目、流程、數(shù)據(jù)、知識等研發(fā)要素的一體化管理，用以支撐發(fā)動機的研制，提高研制精度和效率。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機 系統(tǒng)工程 集成平臺 仿真 FMI

1 引言

航空發(fā)動機研制是我國發(fā)動機行業(yè)面臨的重大戰(zhàn)略任務，其研制過程是一項跨學科的高度協(xié)同的復雜工程。具有高技術(shù)、長周期、投入大的特點，隨著型號任務的啟動發(fā)動機研制出現(xiàn)了一些新的特點：①研制數(shù)量大幅增加研制周期不斷縮短;②性能指標要求不斷提升;③多產(chǎn)品并舉大規(guī)模協(xié)同。雖然近年來已從過去的紙質(zhì)形式轉(zhuǎn)換為電子形式，但并未從根本上改變這一狀況。因此需要先進的工程思想和方法，有效管控發(fā)動機研制的全生命周期，建立一體化的仿真工作平臺，最大限度滿足客戶需求的同時減少后續(xù)發(fā)動機部件或整機試驗等研制環(huán)節(jié)的迭代過程，經(jīng)濟高效地研制出高質(zhì)量的航空發(fā)動機，提升研制能力，縮短研制周期。本文基于系統(tǒng)工程的思想和方法，闡述了基于系統(tǒng)工程的多專業(yè)集成仿真平臺技術(shù)，實現(xiàn)了對航空發(fā)動機研制過程的有效管控。

2 聯(lián)合仿真平臺技術(shù)架構(gòu)

整合已有的工具軟件、信息系統(tǒng)、設計方法、軟硬件資源，構(gòu)建出適合發(fā)動機的一體化仿真平臺體系。平臺總體架構(gòu)如上圖所示，平臺主要包括以下部分：

（1）工程門戶

即工程研發(fā)活動的門戶系統(tǒng)，研發(fā)人員從事研發(fā)設計活動時的統(tǒng)一工作入口，前端展現(xiàn)為“個人工作臺”形式，基本功能包括：工程看板、數(shù)據(jù)視圖、應用集成、知識資源、溝通協(xié)作等。工程門戶是集成仿真平臺的頂層應用和展現(xiàn)層，通過嚴格的權(quán)限設置，不同的角色可以方便地進入自己相關(guān)的業(yè)務系統(tǒng)，通過靈活的欄目設置和信息推送功能，使每一個操作用戶都可以方便及時地看到自己工作內(nèi)容相關(guān)的綜合信息，同時可以進入業(yè)務系統(tǒng)完成相關(guān)的工作。

（2）協(xié)同研發(fā)過程管理系統(tǒng)

將任務管理與流程管理融合為一體，建立統(tǒng)一的任務單元模型，將具體的產(chǎn)品開發(fā)業(yè)務過程與特定的活動/任務聯(lián)系，并將管理過程和設計過程流程化、顯性化，通過流程可視化執(zhí)行和規(guī)范化的指導，使得研發(fā)過程有序進行。

（3）研發(fā)工具系統(tǒng)

構(gòu)建面向發(fā)動機研發(fā)的具體業(yè)務系統(tǒng)，融合了設計工具、方法、知識等。包括專業(yè)設計系統(tǒng)及工程模板庫。通過構(gòu)建專業(yè)的設計系統(tǒng)，使得設計人員在該環(huán)境下，能夠更加關(guān)注和關(guān)心產(chǎn)品產(chǎn)品整體性能設計優(yōu)化及創(chuàng)新設計。通過IT技術(shù)將其封裝固化形成規(guī)范和可執(zhí)行的標準工程應用模板，按照不同專業(yè)及類型進行劃分管理，形成對各專業(yè)系統(tǒng)支持的模板集，該模板同時支撐仿真流程。

（4）知識管理系統(tǒng)：

建立協(xié)同研發(fā)知識管理系統(tǒng)，為協(xié)同研發(fā)過程提供必要的知識支撐，通過框架提供的數(shù)據(jù)挖掘和知識主動推入技術(shù)，實現(xiàn)基于知識的設計。知識管理系統(tǒng)提供一套開放的可擴展的框架，進行知識的不斷補充、豐富。

3 基于模型的集成仿真

想要進行基于模型的多學科聯(lián)合集成和仿真，需要對工具、仿真系統(tǒng)進行接口方面的要求。聯(lián)合仿真平臺必須滿足多專業(yè)計算模型的集成，通過模型的標準化使多專業(yè)的聯(lián)合仿真成為可能，從而進一步驗證需求模型，通過對需求的變更跟蹤，掌控研發(fā)的進程。

3.1 標準化接口

為了實現(xiàn)聯(lián)合仿真平臺系統(tǒng)的通用性，采用了最為先進的FMI（Functional Mock-up Interface）標準化接口。FMI是Modelisar項目中的一部分，主要涉及汽車設計和仿真領(lǐng)域，已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)化應用。FMI的目標是定義一個開放的接口，從而讓不同軟件系統(tǒng)的動態(tài)系統(tǒng)模型能夠?qū)崿F(xiàn)軟件/模型/硬件的聯(lián)合仿真。因此，F(xiàn)MI 接口對于現(xiàn)有的主流商業(yè)仿真軟件和程序語言有良好的兼容性。FMI標準接口包含模型描述文件和仿真程序代碼兩個部分。

3.2 聯(lián)合仿真平臺設計

不同的仿真模型和模型數(shù)量組成特定的仿真流程，通過選擇所需流程模板或者現(xiàn)場搭建仿真流程，創(chuàng)建仿真任務，對仿真任務下的專業(yè)模型進行參數(shù)配置，生產(chǎn)仿真實例，然后即可對仿真實例進行計算，實現(xiàn)聯(lián)合仿真。然后通過過程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)將仿真過程和結(jié)果數(shù)據(jù)進行管理和追溯，形成完整的研發(fā)過程管理體系。

3.3 提供一個仿真IDE（Integrated Design Environment）

仿真IDE包括幾個核心組件，模型編輯器、編譯器、調(diào)試器和圖形用戶界面。集成了模型編輯、編譯、仿真和調(diào)試等一體化的仿真服務集。左側(cè)的的樹狀資源視圖主要展現(xiàn)系統(tǒng)的模型，針對左側(cè)模型的編輯器在右側(cè)上半?yún)^(qū)，可以運用圖形化的編輯工具對模型進行修改，而修改后，可以對模型進行仿真，仿真就是對系統(tǒng)模型的設計工作進行驗證的過程，對編譯后的模型進行仿真類似于對編寫的程序進行“運行”。其可以對其“運行”狀態(tài)進行測試，例如可以給不同的輸入查看其結(jié)果;并且可以進行“調(diào)試”，就是運用各種例如斷點等手段，對模型進行差錯和排錯的過程。仿真和調(diào)試過程中，可以對仿真的結(jié)果進行分析和比較，可以查詢某個歷史狀態(tài)的模型仿真結(jié)果，也可以對同版本的模型進行不同輸入狀態(tài)的仿真，目的是在IDE環(huán)境中對模型進行篩選和優(yōu)化。

4 結(jié)束語

本文對多專業(yè)集成仿真平臺技術(shù)進行了深入研究，并運用先進技術(shù)實現(xiàn)集成仿真平臺的架構(gòu)設計，討論了關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。在研究過程中，對于基于模型的系統(tǒng)仿真及仿真流程、仿真數(shù)據(jù)的管理都有系統(tǒng)的考慮。多學科集成仿真平臺本身也是一個系統(tǒng)工程，從需求分析，到開發(fā)并走向成熟應用需要漫長的多專業(yè)協(xié)調(diào)，需要投入大量的人力物力來完成，針對平臺中的每個技術(shù)環(huán)節(jié)加以深入調(diào)研并開發(fā)實現(xiàn)。

參考文獻

[1]董亮，劉俊堂，張永輝.飛機研制需求管理技術(shù)研究.航空科學技術(shù).2014.2.