[發明專利]用于航空發動機等熱力機械系統建模仿真分析的方法

在審

• 申請號: 201710155367.4
• 申請日: 2017-03-16
• 公開（公告）號: CN106777842A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 緱林峰;崔凱;史東燁;王璐璐;黃雪茹
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西北工業大學專利中心61204
• 代理人: 王鮮凱

技術領域

本發明屬于航空發動機等熱力機械系統的建模與仿真領域，特別涉及一種用于航空發動機等熱力機械系統建模仿真分析的方法。

背景技術

航空發動機是一個由多個轉動部件組成的復雜非線性氣動熱力學系統，設計發動機不僅要求綜合運用包括空氣動力學、固體力學、熱力學、流體力學、材料學等多個學科的知識，還因其非線性的屬性決定了需要通過大量實驗來確定各個部件的實際工作特性。利用計算機建立發動機數學模型進行研究，可以縮短研制周期、降低經費投入、減少現場試驗次數、提高技術更新速度，也可以避免不必要的風險。

美國等國家于1950年最先開始了對航空發動機數值建模、計算方面的研究，先后開發出了GENENG、DYNGEN等發動機模型，國內專家也相繼就這一難題展開研究。

文獻1“航空發動機建模技術研究，李家瑞.南京航空航天大學,2005”是根據DYNGEN改編，采用面向過程的程序設計方法編寫的部件級模型。

此類模型不足之處主要體現在：

(1)基本都是采用面向過程的程序設計方法開發的，程序的可閱讀性、可維護性和可擴展性較差，已經難以滿足現代軟件系統的應用要求，難以與一些現有的高效率仿真軟件、平臺進行仿真交互；

(2)在獲取發動機工作特性時，程序運行和數據管理不便，缺乏直觀有效的界面支持；

(3)根據模型進行總體性能分析或控制計劃仿真驗證時，由于缺乏相應的研發工具，首先要完全理解程序思路，再在源程序基礎上進行修改調試，加入完成所要求功能的代碼，使得整個研究過程繁瑣復雜，加大開發人員工作量，并提高了模型仿真設計使用的門檻，對開發人員的發動機建模理論知識儲備提出很高要求，也降低了各開發人員的工作效率；

(4)模型運行所涉及到的基礎計算模塊與開發者耦合性強，缺乏標準化和通用化的平臺，不同版本之間計算代碼的可靠性、準確性差異較大，模型自身的可移植性不好。

近年來，南京航空航天大學的黃金泉教授團隊提出了使用面向對象技術建立發動機模型的方法，文獻2“基于MATLAB/SIMULINK的航空發動機建模與仿真研究，夏飛,黃金泉,周文祥.航空動力學報,2007,22(12):2134-2138.”采用基于MATLAB/SIMULINK高級圖形仿真環境，利用圖形模塊化技術開發了某型雙軸渦扇發動機的通用部件級模型。但該方法所采用的解算器實時性較差，部件模塊的擴展性和移植性有待加強，且未給出由發動機非線性模型建立線性模型的方法，而這些模型功能和性能對于發動機的分析設計及后期控制系統的設計仿真均具有巨大作用。

發明內容

為了克服現有方法實用性差的不足，本發明提供一種用于航空發動機等熱力機械系統建模仿真分析的方法。該方法采用面向對象的建模方法，避免了面向過程的程序設計方法中存在的可閱讀性、可維護性以及可拓展性較差的缺點。本發明基于一個通用的仿真平臺MATLAB/SIMULINK，便于后期對發動機等熱力系統控制器的設計，且具有較好的人機交互界面。建立的不同功能模塊耦合性低，使得建模過程具有較高的靈活性、擴展性和移植性。本發明中，對各部件以及迭代解算器的算法進行了優化，旨在建立一個高精度的發動機模型。加入了線性化模塊，使得當前成熟的線性系統控制器設計方法能應用于發動機模型，實用性好。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案：一種用于航空發動機等熱力機械系統建模仿真分析的方法，其特點是包括以下步驟：

步驟一、首先給出仿真系統的總體設計要求，依據此總體設計要求，再結合航空發動機自身模型復雜、計算繁瑣的特點，將該仿真系統的架構分為四層；用戶操作層、發動機組件層、基礎算法層、信號傳遞及輸入/輸出層。各層之間相對獨立，便于設計人員根據不同仿真目標進行針對性的修改、優化或者擴展。

步驟二、根據不同層次、模塊的功能特點設計其MATLAB/Simulink實現方法。首先建立基礎算法層，該基礎算法層包含氣體變比熱計算模塊和插值模塊，這些模塊算法相對簡單，功能相對單一，故編寫為C語言函數，以供發動機組件調用。MATLAB，是一種用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，包括MATLAB和Simulink兩大部分。Simulink，MATLAB的重要組成部分。C語言，編程語言。