一種基于數(shù)字孿生的航空發(fā)動機運行維護方法及系統(tǒng)
1.本發(fā)明涉及發(fā)動機和數(shù)字孿生智能管理技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)計一種基于數(shù)字孿生的航空發(fā)動機運行維護方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
2.當(dāng)前航空發(fā)動機預(yù)測和健康維護技術(shù)是解決航空發(fā)動機裝備系統(tǒng)與運行維護的主要手段，由于航空發(fā)動機運行環(huán)境比較復(fù)雜，其性能設(shè)計上、制造等過程緊密聯(lián)系，隨著控制系統(tǒng)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)急劇增加，當(dāng)前的技術(shù)難以在多變的環(huán)境中進行實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析。但多領(lǐng)域建模綜合技術(shù)和智能傳感、大數(shù)據(jù)、人工智能等新型信息技術(shù)的發(fā)展，使高精度地模擬航空發(fā)動機在復(fù)雜環(huán)境中的狀況成為可能，當(dāng)前的技術(shù)體系逐漸演變?yōu)閿?shù)字孿生技術(shù)體系。
3.當(dāng)前技術(shù)中，往往只是從某一方面的參數(shù)對發(fā)動機進行運行維護，一方面，忽略了各個運行部件之間的關(guān)聯(lián)，未考慮各個部件之間的相互影響，另一方面，沒有全面地采集數(shù)據(jù)，導(dǎo)致無法全面具體地分析發(fā)動機狀態(tài)。綜上，如何對發(fā)動機進行全面有效的運行維護是有待解決的問題。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
4.針對上述問題，本發(fā)明提供一種基于數(shù)字孿生的航空發(fā)動機運行維護方法及系統(tǒng)，用來有效解決發(fā)動機運行狀態(tài)和維護的問題。
5.本發(fā)明提供一種基于數(shù)字孿生的航空發(fā)動機運行維護方法，包括：
6.獲取航空發(fā)動機的運行環(huán)境和發(fā)動機運行狀態(tài)；
7.根據(jù)發(fā)動機原理，分別確定三維物理模型，性能模型，線性模型；
8.根據(jù)三維物理模型，性能模型，線性模型之間參數(shù)的傳遞關(guān)系，建立對應(yīng)的數(shù)字孿生模型；
9.將運行環(huán)境參數(shù)和運行狀態(tài)參數(shù)作為數(shù)字孿生模型的輸入，輸出對應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)。
10.根據(jù)輸出的參數(shù)進行數(shù)據(jù)處理，確定航空發(fā)動機的運行狀態(tài)。
11.進一步地，所述運行環(huán)境參數(shù)是指飛機飛行包線，運行環(huán)境是指影響發(fā)動機的進氣條件和控制狀態(tài)，發(fā)動機輸出的推力及其性能變化。
12.進一步地，在數(shù)字空間中，先基于發(fā)動機原理建立初始孿生模型，這包括能反映內(nèi)部運作機理的物理模型、能實時反應(yīng)發(fā)動機內(nèi)部性能的性能模型和專用于控制系統(tǒng)和優(yōu)化的線性模型。
13.進一步地，用模型和數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法構(gòu)建數(shù)字孿生體，以以上數(shù)字孿生體初始模型為基礎(chǔ)，結(jié)合物理空間向數(shù)字空間傳遞的數(shù)據(jù)，構(gòu)建運維數(shù)字孿生體。
14.其中，將實時傳感器測量數(shù)據(jù)與性能模型相結(jié)合，隨運行環(huán)境變化和物理發(fā)動機性能的變化，構(gòu)建出監(jiān)測模型，可精準(zhǔn)監(jiān)測發(fā)動機的部件和整機性能；將歷史維修數(shù)據(jù)注入
三維物理模型和性能模型，構(gòu)建出故障模型，可應(yīng)用于故障診斷和預(yù)測；將歷史飛行數(shù)據(jù)與性能模型結(jié)合，構(gòu)建出性能預(yù)測模型，用于預(yù)測整機性能和使用壽命；將線性化模型與飛機運行狀態(tài)環(huán)境模型融合，來控制優(yōu)化以實現(xiàn)發(fā)動機性能優(yōu)化。
15.進一步地，發(fā)動機出廠時，數(shù)字空間發(fā)動機性能模型是額定性能模型，由于發(fā)動機長時間運行后，性能退化，數(shù)字空間中發(fā)動機性能模型的輸出值與物理空間中發(fā)動機真實傳感器測量值出現(xiàn)偏差，整機性能參數(shù)無法精確估計，為實現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)測的目標(biāo)，利用傳感器偏差數(shù)據(jù)對基準(zhǔn)模型中的性能模型進行實時修正，建立能精準(zhǔn)監(jiān)測整機性能參數(shù)的模型。
16.進一步地，故障診斷將發(fā)動機的維修、故障數(shù)據(jù)記錄分析形成故障模型，注入初始模型中，在實際運行中與測量數(shù)據(jù)比較，提取相似的故障模式預(yù)測故障。數(shù)字空間中的發(fā)動機性能模型與故障數(shù)據(jù)融合可生成故障診斷模型以實現(xiàn)發(fā)動機故障預(yù)測。
17.進一步地，性能預(yù)測功能可記錄發(fā)動機的運行歷史數(shù)據(jù)，融合模型進行性能預(yù)測。
18.控制優(yōu)化是解決飛機和發(fā)動機控制過程中發(fā)動機控制優(yōu)化問題，飛機在飛行過程并未發(fā)揮最佳性能，在實際運行過程中控制系統(tǒng)尚有較大優(yōu)化空間。輸入飛行環(huán)境參數(shù)，構(gòu)建控制優(yōu)化模型，實現(xiàn)在不同飛行條件下，自適應(yīng)調(diào)整控制系統(tǒng)整體優(yōu)化發(fā)動機性能。
附圖說明
19.圖1為發(fā)明提供的基于數(shù)字孿生的航空發(fā)動機運行維護方法的流程示意圖；
20.圖2為本發(fā)明提供的性能預(yù)測的流程示意圖；
21.圖3為本發(fā)明提供的故障預(yù)測的流程示意圖；
22.圖4為本發(fā)明提供的精準(zhǔn)監(jiān)測的流程示意圖；
具體實施方式
23.下面結(jié)合附圖來具體描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中，附圖構(gòu)成本技術(shù)一部分，并與本發(fā)明的實例一起用于闡釋本發(fā)明的原理，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
24.實施例：本發(fā)明實施例提供了一種基于數(shù)字孿生的航空發(fā)動機運行維護方法，結(jié)合圖1來看，圖1為本發(fā)明提供的基于數(shù)字孿生的航空發(fā)動機運行維護方法的流程示意圖，包括步驟s101至步驟s105，其中：
25.在步驟s101中，獲取航空發(fā)動機的運行環(huán)境和發(fā)動機運行狀態(tài)；
26.在步驟s102中，根據(jù)發(fā)動機原理，分別確定三維物理模型，性能模型，線性模型；
27.在步驟s103中，根據(jù)三維物理模型，性能模型，線性模型之間參數(shù)的傳遞關(guān)系，建立對應(yīng)的數(shù)字孿生模型。
28.在步驟s104中，將運行環(huán)境參數(shù)和運行狀態(tài)參數(shù)作為數(shù)字孿生模型的輸入，輸出對應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)；
29.在步驟s105中，根據(jù)輸出的參數(shù)進行數(shù)據(jù)處理，確定航空發(fā)動機的運行狀態(tài)；
30.在本發(fā)明實施例中，首先，對航空發(fā)動機的運行參數(shù)和環(huán)境參數(shù)進行收集；然后，根據(jù)運行環(huán)境參數(shù)和發(fā)動機實體參數(shù)進行多方面的建模，反映發(fā)動機的不同狀態(tài)；進而，利用不同模型之間的聯(lián)系，綜合數(shù)字本體進行三維物理模型、性能模型、線性模型，對數(shù)字環(huán)境進行環(huán)境建模，綜合評估發(fā)動機狀態(tài)，進行精準(zhǔn)監(jiān)測、故障診斷、性能預(yù)測、控制優(yōu)化等其他功能，進行多種信號間的信號融合、考慮部件之間的聯(lián)系關(guān)系，建立數(shù)字孿生模型；接著，
將運行參數(shù)和環(huán)境參數(shù)作為數(shù)字孿生的輸入，實現(xiàn)在數(shù)字空間中與運行發(fā)動機的實時對應(yīng)；最后，利用數(shù)字孿生模型輸出的參數(shù)，進行數(shù)據(jù)分析處理，對航空發(fā)動機的運行狀態(tài)進行有效的評估和優(yōu)化。
31.優(yōu)選地，物理空間包括實際運行環(huán)境和發(fā)動機實體，其中，實際運行環(huán)境是指飛機包線和飛機運行狀態(tài)，發(fā)動機實體是指包含控制系統(tǒng)在內(nèi)的發(fā)動機本體。
32.作為具體實施例，本發(fā)明實施例將發(fā)動機的維修和故障數(shù)據(jù)記錄形成的故障模式作為初始模型的輸入，在運行中數(shù)字空間與發(fā)動機數(shù)據(jù)進行比較來預(yù)測故障。
33.優(yōu)選地，發(fā)動機故障類型眾多，包括氣路、振動、滑油等，對轉(zhuǎn)速、壓比、排氣溫度、燃油流量、滑油量、滑油壓差等進行監(jiān)控。
34.優(yōu)選地，結(jié)合圖2來看，圖2為本發(fā)明提供的確定性能預(yù)測的流程示意圖，包括步驟s1041至步驟s1043，其中：
35.在步驟s1041中，根據(jù)評估參數(shù)，進行多種評價操作，并將多種評價操作進行樣本構(gòu)建，形成可視化顯示，其中，評估參數(shù)包括機場條件、氣路參數(shù)、發(fā)動機運行參數(shù)等其他參數(shù)；
36.在步驟s1042中，根據(jù)多種評估操作的結(jié)果，觀測變量定量衡量發(fā)動機狀態(tài)；
37.在步驟s1043中，根據(jù)多種評估操作的結(jié)果，結(jié)合測量數(shù)據(jù)，確定對發(fā)動機性能預(yù)測。
38.作為具體實施例，本發(fā)明實施例選取從飛行中測量的參數(shù)，來進行樣本構(gòu)建，具體分析發(fā)動機的衰減程度，最后對整機結(jié)合傳感器測量數(shù)據(jù)進行性能預(yù)測。
39.優(yōu)選地，結(jié)合圖3來看，圖3為本發(fā)明提供的故障預(yù)測的流程示意圖，其中包括：
40.在步驟s301中，根據(jù)發(fā)動機維修記錄和故障數(shù)據(jù)形成故障模型；
41.在步驟s302中，在發(fā)動機運行中與發(fā)動機測量數(shù)據(jù)進行比對；
42.在步驟s303中，提取相似的故障數(shù)據(jù)進行預(yù)測故障。
43.優(yōu)選地，在機械設(shè)備故障診斷的分析過程依賴于傅里葉變換，定義式為：
[0044][0045]
設(shè)備故障發(fā)生在特定的頻率下，對于發(fā)動機的故障診斷使用傅里葉變換作為頻譜分析的工具，根據(jù)傅里葉變換計算出的頻率、峰值、總值用于評判標(biāo)準(zhǔn)。
[0046]
作為具體實施例，本發(fā)明實施例依據(jù)發(fā)動機故障數(shù)據(jù)，確定數(shù)字孿生的故障模型，對模型輸出的多種參數(shù)進行有效分析。
[0047]
優(yōu)選地，結(jié)合圖4來看，圖4為本發(fā)明提供的精準(zhǔn)監(jiān)測的流程示意圖，其中包括：
[0048]
在步驟s401中，獲取物理空間發(fā)動機的傳感器測量值和數(shù)字空間發(fā)動機模型數(shù)值偏差；
[0049]
在步驟s402中，估計性能模型與真實發(fā)動機的變化程度；
[0050]
在步驟s403中，在包線范圍內(nèi)對模型進行修正，使模型與真實發(fā)動機保持一致。
[0051]
精準(zhǔn)監(jiān)測用來解決發(fā)動機衰減后，模型無法實時準(zhǔn)確估計發(fā)動機性能參數(shù)問題。發(fā)動機出廠時，數(shù)字空間中的發(fā)動機模型是額定模型，實際發(fā)動機在長時間運行后，由于內(nèi)部構(gòu)件的磨損等原因，發(fā)動機性能發(fā)生退化，數(shù)字空間中發(fā)動機模型參數(shù)的數(shù)值與物理空間中發(fā)動機真實傳感器測量值存在偏差，無法對整機性能進行精確評估。
技術(shù)特征：
1.一種基于數(shù)字孿生的運行維護方法，其特征在于，包括：獲取航空發(fā)動機的運行環(huán)境和發(fā)動機運行狀態(tài)；根據(jù)所述發(fā)動機原理，分別確定三維物理模型，性能模型，線性模型；根據(jù)所述三維物理模型，性能模型，線性模型之間參數(shù)的傳遞關(guān)系，建立對應(yīng)的數(shù)字孿生模型；將所述運行環(huán)境參數(shù)和運行狀態(tài)參數(shù)作為數(shù)字孿生模型的輸入，輸出對應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)；根據(jù)所述輸出的參數(shù)進行數(shù)據(jù)處理，確定航空發(fā)動機的運行狀態(tài)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于數(shù)字孿生的運行維護方法，其中所述根據(jù)發(fā)動機原理確定的三維物理模型用于反映內(nèi)部運作機理，性能模型實時反應(yīng)發(fā)動機內(nèi)部性能，線性模型用于系統(tǒng)的控制和優(yōu)化。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于數(shù)字孿生的運行維護方法，其特征在于，根據(jù)三維物理模型，性能模型，線性模型之間參數(shù)的傳遞關(guān)系，建立對應(yīng)的數(shù)字孿生模型；將實時傳感器數(shù)據(jù)與性能模型相結(jié)合，可實時精準(zhǔn)地監(jiān)測發(fā)動機的內(nèi)部構(gòu)件性能和整體運作情況；將歷史維修數(shù)據(jù)注入三維物理模型和性能模型中，系統(tǒng)構(gòu)建出發(fā)動機故障類型用于故障診斷和預(yù)測；可將歷史飛行數(shù)據(jù)與性能模型相結(jié)合用來預(yù)測整機性能和使用壽命；將線性模型與飛機運行狀態(tài)和環(huán)境相融合，可實現(xiàn)發(fā)動機性能優(yōu)化，以實現(xiàn)更好的運作。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于數(shù)字孿生的運行維護方法，其特征在于，將所述運行環(huán)境參數(shù)和運行狀態(tài)參數(shù)作為數(shù)字孿生模型的輸入，輸出對應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)，其中包括：根據(jù)評估參數(shù)，進行多種評價操作，并將多種評價操作進行樣本構(gòu)建，形成可視化顯示，其中，評估參數(shù)包括機場條件、氣路參數(shù)、發(fā)動機運行參數(shù)等其他參數(shù)；根據(jù)多種評估操作的結(jié)果，觀測變量定量衡量發(fā)動機狀態(tài)；根據(jù)多種評估操作的結(jié)果，結(jié)合測量數(shù)據(jù)，確定對發(fā)動機性能預(yù)測；其中，從飛行中測量的參數(shù)，來進行樣本構(gòu)建，具體分析發(fā)動機的衰減程度，最后對整機結(jié)合傳感器測量數(shù)據(jù)進行性能預(yù)測。
技術(shù)總結(jié)
本發(fā)名涉及一種基于數(shù)字孿生的航空發(fā)動機運行維護方法及系統(tǒng)，該方法包括：獲取航空發(fā)動機的運行環(huán)境和發(fā)動機運行狀態(tài)；根據(jù)發(fā)動機原理，分別確定三維物理模型，性能模型，線性模型；根據(jù)三維物理模型，性能模型，線性模型之間參數(shù)的傳遞關(guān)系，建立對應(yīng)的數(shù)字孿生模型；將運行環(huán)境參數(shù)和運行狀態(tài)參數(shù)作為數(shù)字孿生模型的輸入，輸出對應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)；根據(jù)輸出的參數(shù)進行數(shù)據(jù)處理，確定航空發(fā)動機的運行狀態(tài)。本發(fā)明利用數(shù)字孿生模型的建立，實現(xiàn)對發(fā)動機整體與各工作部件運作狀態(tài)的預(yù)測和運維。動機整體與各工作部件運作狀態(tài)的預(yù)測和運維。
