航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同研發(fā)仿真數(shù)據(jù)管理技術(shù)研究

賀穎 李本旺

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是裝備制造業(yè)的尖端，其發(fā)展水平是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力、工業(yè)基礎(chǔ)和科技水平的集中體現(xiàn)，是確保國(guó)家安全的重要戰(zhàn)略裝備。傳統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制模式主要依賴于經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)驗(yàn)證，造成周期長(zhǎng)、經(jīng)費(fèi)投入多。隨著計(jì)算科學(xué)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，世界先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)國(guó)家的研發(fā)模式正在從傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)- 試驗(yàn)驗(yàn)證- 修改設(shè)計(jì)- 再試驗(yàn)”反復(fù)迭代的V 模式發(fā)展為向基于模型的預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)（雙V）模式，該模式對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的協(xié)同研制模式及其數(shù)據(jù)管理方式提出了更高的要求，本文對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品協(xié)同研制過(guò)程中仿真數(shù)據(jù)管理方式進(jìn)行了研究，利用數(shù)據(jù)建模與管理技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理，縮短產(chǎn)品研制周期，提升產(chǎn)品研制效率。

1 概述

航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同研制應(yīng)用起源于20 世紀(jì)80 年代末，當(dāng)時(shí)世界航空產(chǎn)業(yè)均面臨提高航程及載重量的巨大挑戰(zhàn)，波音等航空巨頭竭力在機(jī)型上推陳出新，而當(dāng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)速度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上飛機(jī)機(jī)型更新速度。GE 公司在此方面展開(kāi)了大量研究，希望通過(guò)徹底改變其產(chǎn)品研發(fā)模式，使其航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)速度達(dá)到質(zhì)的飛躍。

GE 公司結(jié)合其多年航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一套完整的協(xié)同產(chǎn)品研發(fā)制造模型的概念，并應(yīng)用于GE 的所有發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過(guò)程中。其重點(diǎn)是強(qiáng)烈關(guān)注產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段的研究，做到產(chǎn)品在預(yù)發(fā)布時(shí)已經(jīng)滿足了絕大多數(shù)指標(biāo)要求，并大量使用產(chǎn)品需求和目標(biāo)系統(tǒng)分解技術(shù)以及主模型（Master Model）技術(shù)，達(dá)到縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)周期目的。1998 年GE 針對(duì)CAD/CAE/CAT/PDM模型數(shù)據(jù)及方法進(jìn)行改進(jìn)，將其發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)由平均60 個(gè)月降到24 個(gè)月。在2000 年，在基于某航空發(fā)動(dòng)機(jī)母型機(jī)變型機(jī)研發(fā)中，采用并行工程的技術(shù)，使研發(fā)周期縮短一半，節(jié)省50%的研發(fā)成本，節(jié)省80%的制造成本，工程師只利用原來(lái)25%的時(shí)間，就完成了20 次詳細(xì)的設(shè)計(jì)迭代。在隨后GE 對(duì)研發(fā)過(guò)程持續(xù)改進(jìn)，于2004 年將研發(fā)周期從24 個(gè)月降低到18 個(gè)月。

分析GE 公司近30 年的產(chǎn)品協(xié)同研制技術(shù)的發(fā)展，其支撐技術(shù)就是IT 技術(shù)的應(yīng)用，主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

（1）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)：四通八達(dá)的網(wǎng)絡(luò)使集成研發(fā)和設(shè)計(jì)/制造協(xié)同成為可能。

（2）主模型(MASTER MODEL)：基于三維實(shí)體模型的主模型是并行工程的基礎(chǔ)，是設(shè)計(jì)、分析和制造，甚至包括產(chǎn)品支持等專業(yè)之間數(shù)據(jù)交換所必須的統(tǒng)一的數(shù)字化模型。

（3）快速原型仿制技術(shù)(Rapid Prototyping)。

（4）計(jì)算機(jī)分析和仿真技術(shù)，大量復(fù)雜的氣體流動(dòng)過(guò)程、復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程。已經(jīng)可以利用計(jì)算機(jī)仿真來(lái)加以準(zhǔn)確描述，使得物理試驗(yàn)大大減少。

分析上述的二、三、四點(diǎn)，核心技術(shù)就是數(shù)據(jù)管理技術(shù)。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同研發(fā)模型

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)過(guò)程中按四個(gè)階段開(kāi)展，需求及概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)以及制造和試驗(yàn)驗(yàn)證階段。在需求和概念設(shè)計(jì)階段可以有技術(shù)研究和預(yù)先研究?jī)蓷l路線，初步設(shè)計(jì)階段以后以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為主。每個(gè)階段都存在分解與設(shè)計(jì)、集成與驗(yàn)證的過(guò)程。具體業(yè)務(wù)過(guò)程描述模型如圖1 所示。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同研發(fā)過(guò)程描述模型

航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同研發(fā)的每個(gè)階段都可以分解成若干個(gè)工具或經(jīng)驗(yàn)組成的研發(fā)模塊，這些研發(fā)模式中包含一系列的規(guī)則和方法，在協(xié)同研發(fā)過(guò)程中研發(fā)模塊的操作對(duì)象各異，但是這些規(guī)則和方法是不變的。在統(tǒng)一業(yè)務(wù)模型的理論支持下，可以將這些研發(fā)模塊轉(zhuǎn)換為由人機(jī)界面、數(shù)據(jù)、操作（活動(dòng)）構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)模型，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同研發(fā)過(guò)程中設(shè)計(jì)資源的積累、共享與重用，無(wú)論是哪類的協(xié)同研發(fā)模塊，模型描述如圖2 所示。

圖2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同研發(fā)模塊模型描述

3 基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同研發(fā)的仿真數(shù)據(jù)管理

航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同研發(fā)過(guò)程中會(huì)通過(guò)協(xié)同研發(fā)模塊的調(diào)用，產(chǎn)生多專業(yè)數(shù)據(jù)。具體來(lái)說(shuō)，是通過(guò)信息化手段采集的數(shù)據(jù)，包括在主流各環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的模型、圖紙、技術(shù)文檔等數(shù)據(jù)，構(gòu)建基于項(xiàng)目的研發(fā)過(guò)程數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化管理，達(dá)到數(shù)據(jù)的合理復(fù)用與借鑒。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同研發(fā)仿真數(shù)據(jù)管理包括：數(shù)據(jù)描述、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)技術(shù)狀態(tài)管理、數(shù)據(jù)對(duì)比分析、數(shù)據(jù)可視化等等功能。數(shù)據(jù)管理組成元素如圖3 所示。

圖3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同研發(fā)數(shù)據(jù)組成元素描述

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要經(jīng)歷不斷演進(jìn)和反復(fù)迭代，數(shù)據(jù)不斷更新、完善，方案螺旋式進(jìn)化，直至結(jié)果最終確定。數(shù)據(jù)統(tǒng)一在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲(chǔ)管理。對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中各階段產(chǎn)生的研發(fā)數(shù)據(jù)，需要通過(guò)預(yù)先設(shè)定的簽署流程進(jìn)行審核批準(zhǔn)，才能進(jìn)入下一個(gè)階段。數(shù)據(jù)在迭代過(guò)程出衍生出不同的版本和技術(shù)狀態(tài)，需要通過(guò)版本控制和技術(shù)狀態(tài)管理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效管理，而用戶可以通過(guò)檢索或數(shù)據(jù)的可視化，查看并使用各個(gè)版本的數(shù)據(jù)。不同類型的數(shù)據(jù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行交換。由于文章篇幅所限，不詳細(xì)列舉研發(fā)數(shù)據(jù)各個(gè)組成元素的實(shí)現(xiàn)邏輯，以數(shù)據(jù)接口為例進(jìn)行說(shuō)明。

數(shù)據(jù)交換接口的功能是確保航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同研發(fā)模塊模型在進(jìn)行多學(xué)科/多部件/多維度設(shè)計(jì)和仿真時(shí)，數(shù)據(jù)能高效、準(zhǔn)確傳遞，同時(shí)可以保障系統(tǒng)的開(kāi)放性和擴(kuò)展性。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)涉及多個(gè)學(xué)科，多個(gè)部件，多個(gè)維度，為了在各學(xué)科、各部件以及各維度之間進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)傳遞，建立了一套完整的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式規(guī)范。各學(xué)科、各部件以及各維度仿真時(shí)，都以此格式規(guī)范輸入輸出自己的仿真數(shù)據(jù)，從而保證數(shù)據(jù)在各協(xié)同研發(fā)模塊中的一致性。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)模型的描述涵蓋多專業(yè)、多維度，且盡可能完整地收集設(shè)計(jì)中需要的全面信息，包括數(shù)據(jù)的物理意義、類型、大小等等，并根據(jù)收集到的信息對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，盡量保證數(shù)據(jù)不重復(fù)，不遺漏。且在格式規(guī)范中預(yù)留了擴(kuò)展空間，便于在今后對(duì)格式規(guī)范進(jìn)行必要的修訂，且在修訂中不會(huì)對(duì)過(guò)去已有的數(shù)據(jù)造成影響，現(xiàn)存的各個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件的輸入輸出文件可通過(guò)數(shù)據(jù)交換接口轉(zhuǎn)換成通用數(shù)據(jù)文件格式，以便實(shí)現(xiàn)各個(gè)軟件之間的協(xié)同工作。將來(lái)開(kāi)發(fā)的計(jì)算程序，必需以通用數(shù)據(jù)文件為輸入輸出文件的格式，以此實(shí)現(xiàn)和現(xiàn)存的計(jì)算程序的對(duì)接以及協(xié)同工作。另外，由于設(shè)計(jì)環(huán)境各異，該數(shù)據(jù)交換接口具備平臺(tái)無(wú)關(guān)性，可支持跨平臺(tái)使用。

數(shù)據(jù)模型的交換接口用CGNS 格式描述，CGNS 格式是較為主流的多學(xué)科、跨步件、多維度數(shù)據(jù)交換格式，包括兩個(gè)基本部分。第一部分是叫做標(biāo)準(zhǔn)接口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（SIDS），詳細(xì)描述被儲(chǔ)存信息的技術(shù)內(nèi)容。第二部分叫做文件映射，定義了所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)在CGNS 文件中的確切位置。除了標(biāo)準(zhǔn)格式，CGNS 還開(kāi)發(fā)基于此標(biāo)準(zhǔn)格式的應(yīng)用工具。CGNS 文件的讀取和寫入都是通過(guò)ADF（高級(jí)數(shù)據(jù)格式）來(lái)完成的。ADF 管理一個(gè)樹(shù)狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并按二進(jìn)制文件存儲(chǔ)。由于文件的格式完全由ADF 控制，而ADF 又是由標(biāo)準(zhǔn)C 語(yǔ)言編寫的，這些文件和ADF 本身都可以移植到任何支持標(biāo)準(zhǔn)C 語(yǔ)言的計(jì)算平臺(tái)。ADF 可單獨(dú)獲得，其中包括了一個(gè)用于大型科學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的有用工具。

由于ADF 本身不具有文件映射內(nèi)容，為了簡(jiǎn)化對(duì)CGNS 文件的訪問(wèn)，提供了一個(gè)“中間層程序庫(kù)”作為軟件的第二個(gè)層級(jí)。一個(gè)典型的CGNS 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。掛接在根“節(jié)點(diǎn)”下的是一個(gè)存有全局參考狀態(tài)信息的節(jié)點(diǎn)和一系列的計(jì)算域節(jié)點(diǎn)。圖中顯示了掛在第一個(gè)計(jì)算域節(jié)點(diǎn)下的節(jié)點(diǎn)；類似的，數(shù)據(jù)庫(kù)中的每一個(gè)計(jì)算域節(jié)點(diǎn)下都掛有節(jié)點(diǎn)。

圖4 CGNS 文件分層描述

完整的CGNS 數(shù)據(jù)格式主要包括如下部分：

（1）基本約定。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)符號(hào)約定、索引約定、多個(gè)域連接等內(nèi)容定義。

（2）塊結(jié)構(gòu)定義。數(shù)據(jù)格式中需要用到的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義。

（3）數(shù)組結(jié)構(gòu)定義。數(shù)組定義，以及與數(shù)據(jù)無(wú)量綱化相關(guān)的各種信息。

（4）層次體系結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)格式的總體層次結(jié)構(gòu)定義，還包括版本信息，數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)和有效范圍等。

（5）計(jì)算結(jié)果。多種類型計(jì)算結(jié)果的結(jié)構(gòu)定義。

（6）多區(qū)交界面連接關(guān)系。多區(qū)連接關(guān)系結(jié)構(gòu)定義。

（7）混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。離散數(shù)據(jù)定義，如：設(shè)計(jì)參數(shù)、用戶自定義數(shù)據(jù)等等。

通過(guò)上述數(shù)據(jù)模型交換接口的定義，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換格式的統(tǒng)一描述，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳遞和銜接。

4 試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)仿真數(shù)據(jù)的校核

目前試驗(yàn)數(shù)據(jù)主要通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試集成軟件進(jìn)行處理，試驗(yàn)測(cè)試集成軟件主要包括采集、監(jiān)視、分析、存儲(chǔ)、顯示、事件管理、傳感器庫(kù)、數(shù)據(jù)發(fā)布、賬號(hào)管理、數(shù)據(jù)發(fā)布等功能模塊，如圖5 所示，試驗(yàn)測(cè)試集成軟件包括標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備驅(qū)動(dòng)、專業(yè)化試驗(yàn)測(cè)試集成、測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析、數(shù)據(jù)采集虛擬化管理四個(gè)模塊。

圖5 試驗(yàn)測(cè)試集成軟件組成

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊在開(kāi)發(fā)過(guò)程中將應(yīng)用基于GDI 的設(shè)備接入技術(shù)，并使用設(shè)備接入組件、工程配置組件、設(shè)備自檢組件。

專業(yè)化試驗(yàn)測(cè)試集成模塊在開(kāi)發(fā)過(guò)程中將應(yīng)用高精度數(shù)據(jù)同步技術(shù)，并使用試驗(yàn)設(shè)置組件、傳感器庫(kù)組件、事件管理組件、數(shù)據(jù)可視化組件。

測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析模塊在開(kāi)發(fā)過(guò)程中將應(yīng)用數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析、處理技術(shù)，并使用算法管理組件。

數(shù)據(jù)采集虛擬化管理模塊在開(kāi)發(fā)過(guò)程中將應(yīng)用硬件設(shè)備虛擬化技術(shù)，并使用硬件設(shè)備虛擬接入組件、系統(tǒng)控制組件、系統(tǒng)工具組件、數(shù)據(jù)管理組件、系統(tǒng)日志組件、數(shù)據(jù)顯示組件。

試驗(yàn)測(cè)試集成軟件是綜合技術(shù)性很強(qiáng)的系統(tǒng)，經(jīng)歷了分散、集中向綜合集成方向發(fā)展, 在我國(guó)產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整中發(fā)揮重要作用。試驗(yàn)測(cè)試集成軟件當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)是綜合、開(kāi)放、集成，即系統(tǒng)的功能應(yīng)是綜合的、結(jié)構(gòu)應(yīng)是開(kāi)放的, 并應(yīng)集成在一個(gè)系統(tǒng)中。

試驗(yàn)測(cè)試集成軟件提供前端數(shù)據(jù)采集端和遠(yuǎn)程試驗(yàn)監(jiān)視端兩個(gè)子系統(tǒng)組成的試驗(yàn)測(cè)試集成軟件，采用TCP/IP 通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)測(cè)控中各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。采用SOA 架構(gòu)技術(shù)和模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化、可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。提供對(duì)外開(kāi)發(fā)接口，滿足信息化建設(shè)中系統(tǒng)集成需要和二次開(kāi)發(fā)需要，滿足不同用戶的需求。試驗(yàn)測(cè)試集成軟件系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)讀取硬件信息，并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在本地硬盤中。系統(tǒng)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向各個(gè)終端顯示器計(jì)算機(jī)進(jìn)行分發(fā)。

試驗(yàn)測(cè)試集成軟件現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證的業(yè)務(wù)邏輯如圖6 所示。

圖6 試驗(yàn)測(cè)試集成軟件應(yīng)用場(chǎng)景

基于上述業(yè)務(wù)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和導(dǎo)出，同時(shí)，基于仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的EBOM（設(shè)計(jì)物理清單）和試驗(yàn)測(cè)試集成軟件的TBOM（試驗(yàn)物理清單），進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)對(duì)比，最終實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真數(shù)據(jù)的校核。

5 結(jié)論

數(shù)據(jù)作為新的生產(chǎn)要素發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，特別是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)這類復(fù)雜產(chǎn)品研制過(guò)程中，數(shù)據(jù)的有效使用和積累可以直接轉(zhuǎn)化為先進(jìn)的生產(chǎn)力。構(gòu)建一套主干剛性、末端靈活、架構(gòu)統(tǒng)一的航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同研發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一就是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速的有效流轉(zhuǎn)，通過(guò)仿真數(shù)據(jù)抽象、仿真數(shù)據(jù)模型定義、仿真數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)技術(shù)狀態(tài)管理等技術(shù)的研究，已初步解決了數(shù)據(jù)的同一源頭和有效流轉(zhuǎn)問(wèn)題，后續(xù)，應(yīng)進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)的各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行深入研究，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更高質(zhì)量、高效率的協(xié)同與交換。