采用數(shù)字孿生技術開展產(chǎn)品設計、試驗蠢护、制造與維護堤结，將能有效解決航空發(fā)動機研制過程中存在的“拖、降魁夫、漲”的問題城汹。相較于最早、也是最深入研究數(shù)字孿生技術的美英兩國窗耘，俄羅斯航空發(fā)動機的數(shù)字化工作起步也不晚拄下，并在近些年取得了一定進展。

早在1983年卖檬，蘇聯(lián)航空發(fā)動機設計師庫茲涅佐夫就提出要在航空發(fā)動機研制中引入復雜的全套數(shù)學模型鸳咐，綜合考慮主要部件的熱力學、氣體動力學和強度静熊。雖然當時“數(shù)字孿生”的概念尚未出現(xiàn)滥捣，但俄羅斯早期開展的多學科數(shù)值仿真工作與現(xiàn)在數(shù)字孿生技術的內(nèi)涵有很多相通之處。到21世紀初惯斥，隨著以數(shù)字化轉型為核心的第四次工業(yè)革命浪潮的席卷以及數(shù)字孿生技術的推廣和應用沦昆，俄羅斯充分意識到了以數(shù)字孿生為代表的新興技術對改變當前國際政治、經(jīng)濟、軍事格局的重要作用愿凶，尤其是集中了大量最高精尖技術的航空發(fā)動機領域竖伯。在此背景下，俄羅斯發(fā)布了一系列戰(zhàn)略規(guī)劃因宇，通過頂層規(guī)劃牽引七婴、關鍵技術攻關和試點應用等方式，加速航空發(fā)動機數(shù)字孿生技術的成熟和落地察滑，如圖1所示打厘。

圖1   俄羅斯航空發(fā)動機數(shù)字孿生技術的應用

頂層規(guī)劃

為了牽引數(shù)字孿生技術在工程領域的發(fā)展和應用，俄羅斯從國家戰(zhàn)略層面對數(shù)字孿生技術給予了高度重視贺辰，并率先制定了航空發(fā)動機和燃氣輪機的產(chǎn)品數(shù)字孿生標準户盯。

戰(zhàn)略牽引

近年來，俄羅斯先后發(fā)布了包括《俄羅斯數(shù)字經(jīng)濟》《俄羅斯科技發(fā)展戰(zhàn)略》和《國家技術創(chuàng)新》等一系列頂層規(guī)劃饲化，旨在支撐國內(nèi)生產(chǎn)技術的快速發(fā)展莽鸭，通過數(shù)字化設計和模擬技術等先進生產(chǎn)技術快速提高企業(yè)的國際競爭力。2017年吃靠，俄羅斯在《國家技術創(chuàng)新》戰(zhàn)略框架下制定了《先進生產(chǎn)技術》戰(zhàn)略硫眨，該戰(zhàn)略規(guī)劃的總體目標是實現(xiàn)先進生產(chǎn)技術和商業(yè)模型的集成，以及拓寬新一代國家定制產(chǎn)品的技術創(chuàng)新市場和提高高技術工業(yè)領域的國際競爭力巢块≈辏《先進生產(chǎn)技術》戰(zhàn)略的關鍵是建立“未來工廠”，而以數(shù)字孿生為核心的數(shù)字化模擬和設計是促進產(chǎn)品高速炒垫、高效蒸拦、高質量發(fā)展的重要手段。與此同時瞳竖，該戰(zhàn)略給出了數(shù)字孿生的實施路線圖，見表1癌雷，即通過在優(yōu)先發(fā)展工業(yè)領域應用和推廣數(shù)字孿生乡捧、統(tǒng)一數(shù)字孿生平臺開發(fā)、實現(xiàn)產(chǎn)品生命周期管理（PLM）系統(tǒng)的國產(chǎn)化和能力擴展魄仙、建立高階數(shù)學模型庫和工業(yè)平臺解決方案等牵观，不斷提升數(shù)字孿生的技術能力，推進該項技術在優(yōu)先發(fā)展領域的應用水惑。

表1   俄羅斯數(shù)字孿生實施路線圖

標準先行

2021年塌自，俄羅斯發(fā)布了世界上首個產(chǎn)品數(shù)字孿生標準——《航空發(fā)動機及地面燃氣輪機數(shù)字孿生通用標準》。參與標準編制的單位包括俄羅斯標準技術委員會汽足、圣彼得堡彼得大帝理工大學悟旧、聯(lián)合發(fā)動機制造集團公司（UEC）、中央航空發(fā)動機研究院（CIAM）、克里莫夫公司和計算及應用力學實驗室（CompMechLab）等25個組織機構蔽豺。該標準在世界范圍內(nèi)首次對“產(chǎn)品數(shù)字孿生”進行了統(tǒng)一定義区丑，給出了“產(chǎn)品數(shù)字模型”“虛擬試驗”和“虛擬試驗臺”等概念的標準定義，確定了構建數(shù)字孿生的基本需求修陡。該標準還在進一步完善沧侥，相關工作已列入俄羅斯2022年國家標準化計劃。

企業(yè)應用

俄羅斯計劃于2024年前在航空領域大規(guī)模推廣數(shù)字孿生技術魄鸦。應用落地項目由UEC牽頭宴杀，聯(lián)合了CIAM和莫斯科航空學院計算機建模中心等俄羅斯航空業(yè)內(nèi)數(shù)十家企業(yè)、研究機構和大學拾因。目前旺罢，UEC下屬土星科研生產(chǎn)聯(lián)合體（土星公司）、克里莫夫公司和禮炮燃氣渦輪科研生產(chǎn)中心（禮炮公司）等已將數(shù)字孿生技術應用到了航空產(chǎn)品研制過程中盾致，涵蓋現(xiàn)役的SaM146和TV7-117系列主经，在研的PD-14、PD-35和“產(chǎn)品30”發(fā)動機庭惜，以及艦船用燃氣輪機等仇钞。UEC認為，采用數(shù)字孿生技術后籽钝，新發(fā)動機的研制周期將縮短至5～6年毯甘，研發(fā)流程將得以大幅優(yōu)化。

土星公司

土星公司是俄羅斯軍用和民用航空發(fā)動機航赦、艦船用燃氣輪機沙书、地面能源設備的研制、生產(chǎn)和維修的主要企業(yè)犹狮，是俄羅斯政府指定的第五代戰(zhàn)斗機發(fā)動機主要研制單位优学。目前的主要發(fā)動機型號包括AL-31F、AL-31FN 箱藏、117S陡敞、AL-55、SaM146 等鲜堆。土星公司在數(shù)字孿生技術的主要探索和應用包括以下方面掖沸。

一是建立超算中心。2016年昌执，土星公司建立了土星-100超算中心烛亦，用于進行長時間復雜高負荷計算。該超算中心的最大數(shù)據(jù)處理能力達114.5Tflops/s懂拾，總運算存儲能力為14.5TB煤禽，計算字段的處理器總數(shù)為204個铐达、2808核。

二是數(shù)字孿生虛擬試驗呜师。土星公司在進行試驗發(fā)動機臺架試驗時娶桦，會同時建立相對應的數(shù)字孿生體，用以實時了解發(fā)動機整個工作過程汁汗，有效查找和排除臺架試驗階段發(fā)現(xiàn)的問題衷畦，建立起實物與數(shù)字孿生體的互聯(lián)互通。

三是建立數(shù)字化車間知牌。2018年7月祈争，土星公司建立了采用數(shù)字孿生技術的生產(chǎn)車間，來開展燃氣渦輪發(fā)動機及組件制造生產(chǎn)鏈的數(shù)字化工作角寸，并應用物聯(lián)網(wǎng)技術菩混，將數(shù)據(jù)感應、采集與生產(chǎn)控制系統(tǒng)及車間數(shù)字孿生關聯(lián)在一起叁席，以實現(xiàn)實物和孿生體的共聯(lián)共生棍潜。

克里莫夫公司

克里莫夫公司主要從事中小型軍民用飛機和直升機的發(fā)動機、輔助動力裝置（APU）和航改地面燃氣輪機的設計和試制生產(chǎn)蚕察，目前主要的發(fā)動機型號有RD-33针如、RD-93、TV7-117V犯党、TV3-117 和VK-800V艇泡、VK2500等。

2019年12月示董，克里莫夫公司完成了TV7-117ST-01發(fā)動機數(shù)字孿生項目的第一階段工作广狂。實施過程中，克里莫夫公司進行了發(fā)動機數(shù)字化處理艾烫，并對設計依據(jù)镀翁、設計文檔、測試結果進行了分析拄讨。公司研發(fā)中心使用CML-BenchTM數(shù)字平臺為新的設計范例生成數(shù)據(jù)陣列卸悼，開發(fā)了一系列虛擬測試臺（VIS）和虛擬測試站點（VIP），并將VIS集成到專家系統(tǒng)中察绷。設計師共設計了800多種不同類型的發(fā)動機并基于數(shù)字平臺開展測試，實現(xiàn)對發(fā)動機全天候自動化測試驗證津辩，并在此基礎上拆撼，分析自動化測試結果，支撐研究中心專家決策喘沿。

禮炮公司

禮炮公司是戰(zhàn)斗機發(fā)動機AL-31F的批生產(chǎn)工廠闸度，主要制造和銷售戰(zhàn)斗機竭贩、運輸機和教練機用渦扇、渦噴發(fā)動機以及工業(yè)燃氣輪機莺禁。

禮炮公司從2019年年底開始應用數(shù)字孿生技術進行產(chǎn)品設計留量，旨在打造統(tǒng)一數(shù)字平臺，整合所有數(shù)據(jù)和專業(yè)化軟件程序哟冬，提供產(chǎn)品計算數(shù)據(jù)和文件流轉管控平臺楼熄，如圖2所示。禮炮公司使用了多種數(shù)值模擬方法浩峡，每種方法對應特定發(fā)動機研發(fā)階段可岂。2020年，公司制定了新一代艦船用燃氣輪機全生命周期數(shù)字孿生發(fā)展路線圖村钧，接著在2021年年初啟動了創(chuàng)建艦船燃氣輪機和減速器數(shù)字孿生項目僵息。該技術后續(xù)將運用到雅克-130飛機的發(fā)動機改進設計部件調試和驗證試驗，以及在研的PD-8發(fā)動機設計過程中臊骂。據(jù)稱咕咸，基于數(shù)字孿生技術開發(fā)的燃氣渦輪發(fā)動機有望一次就通過驗證試驗和國家鑒定試驗，縮短15%～20%的產(chǎn)品研制周期云拔，提高數(shù)值模擬精度倡剥，降低研制產(chǎn)品設計費用。

圖2   禮炮公司開發(fā)的航空發(fā)動機數(shù)字孿生工作平臺

關鍵技術攻關

UEC在領導俄羅斯航空發(fā)動機數(shù)字孿生技術應用實踐時延幻，重點從需求管理穆递、多學科優(yōu)化、構型管理林品、數(shù)學模型的修正與校驗词惭、虛擬試驗和統(tǒng)一的數(shù)字環(huán)境6個方面開展了技術攻關，并提出了集成驗證的方案增队。

需求管理

UEC認為扣墩，需求管理是一個龐大的工程，首先需要從建模著手扛吞。因此呻惕，UEC以PD-14發(fā)動機為試點，開展了基于建模仿真的需求體系建設滥比。PD-14在設計過程中最大程度地利用了數(shù)學模型開展方案驗證亚脆，建立了從技術任務書至單個部件的需求體系，涵蓋了幾萬個參數(shù)盲泛，實現(xiàn)了海量需求的關聯(lián)濒持。產(chǎn)品設計過程中，技術方案基于大量參數(shù)計算得出寺滚，保證了設計的透明度柑营，縮短了首批試驗件摸底試驗的時間屈雄。目前，PD-14已經(jīng)實現(xiàn)了需求管理的自動化官套，并實現(xiàn)了方法的規(guī)范化酒奶。

多學科優(yōu)化

航空發(fā)動機研制中的一大難點就是要解決結構、氣動奶赔、強度纪孔、聲學等多學科高度融合問題。UEC在TV7-117設計過程中基于統(tǒng)一的數(shù)字化平臺建立了發(fā)動機單個部件相互關聯(lián)的數(shù)學模型體系撕擂，并可進行多參數(shù)優(yōu)化孝尺，最終實現(xiàn)在極短的時間內(nèi)自動得出設計方案，減輕動力裝置質量的目標泉蠢。通過驗證可知洼宪，新方法可以驗證數(shù)字孿生體及其物理實體的詳細需求。

構型管理

UEC以PD-8發(fā)動機為平臺開展了數(shù)字孿生構型管理驗證诡语。PD-8是PD-14的推力減小型绒霹，在研制過程中充分借鑒了PD-14的研制經(jīng)驗，包括采用了經(jīng)過PD-14驗證的數(shù)字孿生需求管理技術窑竖，并做了進一步完善擅啸，為構型管理能力的提升奠定了基礎。

數(shù)學模型的修正與校驗

每臺發(fā)動機都有自己的特點适固，不同發(fā)動機的加工誤差也有所不同碎领。加工誤差信息是動力裝置加工和裝配的基礎，數(shù)字孿生需要基于產(chǎn)品加工誤差信息構建誊涯。因此挡毅，基于產(chǎn)品特點構建出的數(shù)學模型才能真實反映物理實體的狀態(tài)和特點。與此同時暴构，模型構建時還需要綜合考慮需求管理跪呈、構型管理，最終才能縮短發(fā)動機首批試驗件從設計到試驗的驗證時間取逾。AI-222-25發(fā)動機數(shù)字孿生是數(shù)學模型修正的典型應用案例耗绿。該項目基于PD-8數(shù)字孿生項目開展，應用過程中實現(xiàn)了加工誤差的自動化計算砾隅，降低了數(shù)字孿生數(shù)學模型修正的人力消耗误阻。此外，對于模型的可用性還需要進行校驗晴埂，只有通過試驗驗證了可行性究反，才能將模型用于方案論證。

虛擬試驗

UEC在研究中發(fā)現(xiàn)邑时，數(shù)字孿生可以快速反映出某一臺發(fā)動機的實際壽命奴紧、經(jīng)濟性、實際加工誤差和其他一些重要參數(shù)晶丘。發(fā)動機及零部件的改進工作均可在數(shù)字環(huán)境下開展冬蝶，只有完成數(shù)字孿生虛擬試驗，并驗證成功后才轉入物理試驗象体。根據(jù)公開資料顯示瘟气，TV7-117和AI-222-25都開展了虛擬試驗驗證。

統(tǒng)一的數(shù)字環(huán)境

PD-14和TV7-117發(fā)動機數(shù)字孿生項目經(jīng)驗表明档改，只有通過統(tǒng)一的高質量綜合軟件断憨，才能建立需求系統(tǒng)、數(shù)學模型系統(tǒng)谅囚、關聯(lián)生產(chǎn)瑰保、試驗和產(chǎn)品構型的關系架構。目前雄防，俄羅斯在新型艦船動力設計時大量采用了數(shù)字孿生技術柱阱，并對統(tǒng)一環(huán)境和軟件間的關聯(lián)性給出了詳細的技術需求。由于項目研制過程中建立了需求體系康局，相較PD-14和PD-8項目耗費的研制周期更短概尝，人力消耗更少。此外蟆盐，UEC還在項目開展過程中基于物理數(shù)學模型開發(fā)了發(fā)動機預測性診斷和技術狀態(tài)指標預測綜合軟件承边，并對開發(fā)方法進行了驗證。采用上述措施可以在發(fā)動機發(fā)生故障前就提前預測石挂，并保障及時檢修博助。

結束語

近年來，俄羅斯在航空發(fā)動機企業(yè)應用層面：通過建立超算中心夯實基礎條件誊稚；建立數(shù)字孿生平臺翔始，提升協(xié)同設計效率和能力；開展虛擬試驗里伯，先行驗證城瞎，減少研制迭代；建立數(shù)字化車間優(yōu)化資源配置疾瓮，提升產(chǎn)能脖镀；通過型號應用，驗證技術能力狼电。與此同時蜒灰，俄羅斯以建設“未來工廠”為重要發(fā)展目標，開展了數(shù)字孿生技術攻關以及關鍵技術集成驗證哥钉。目前蜗原，俄羅斯已經(jīng)將數(shù)字孿生技術應用至航空發(fā)動機的需求論證瀑红、設計、試驗和生產(chǎn)領域嗤锯，以及TV7-117贼扩、PD-14、AI-222-25等多個型號中钉栈，并取得了一定的成效璧酣。到2024年，俄羅斯所有在役滥庭、在研及新研發(fā)動機都將逐步使用數(shù)字孿生技術扑诈，該技術將成為未來俄羅斯航空發(fā)動機研制的重要手段。

（航空動力 期刊 胞讯，作者王樂 李茜 等）

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