[發明專利]一種航空發動機轉子系統數字孿生模型試驗臺設計方法

在審

• 申請號: 202310245693.X
• 申請日: 2023-03-14
• 公開（公告）號: CN116305564A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 羅忠;吳東澤;李洪雨;崔澤文
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 高意;李洪福

本發明提供一種航空發動機轉子系統數字孿生模型試驗臺設計方法，包括：構建數值模型，計算轉子動力學特性，獲取轉子動力學數據；構建人工智能模型，將所述數值模型獲取的轉子動力學數據輸入至人工智能模型，對人工智能模型進行訓練預測；構建更新模型，通過更新模型和實時試驗數據，使轉子試驗臺數據在運行過程中更新修正。本發明技術方案實現轉子試驗臺實體與數字孿生模型的實時映射，真實的反應轉子系統的振動特性。其采用數值模型與人工智能模型作為數字孿生模型的數據驅動，解決轉子試驗臺實時映射問題；通過更新模型和實時試驗數據，使轉子試驗臺數據在運行過程中更新修正，解決真實模型與數字孿生模型誤差會隨著時間逐步變大的問題。

技術領域

本發明涉及數字孿生技術領域，具體而言，尤其涉及一種航空發動機轉子系統數字孿生模型試驗臺設計方法。

背景技術

轉子試驗臺數字孿生全生命周期的測試與試驗階段，由于轉子結構復雜、研制周期長和試驗風險大，因此轉子試驗具有極大的限制性。所以，針對以上問題，利用數字孿生系統對轉子試驗臺進行虛實映射成為一種有效的途徑，能夠真實的反應轉子系統的振動特性，降低試驗風險，揭示影響機理。

數字孿生技術因其能夠實現物理系統與數字孿生虛擬空間的信息交互，并能夠集成各種數據分析、復雜特征提取等計算智能方法，從而適應于解決轉子系統此類復雜工業裝備的虛實映射與狀態監測分析問題。目前轉子系統數字孿生建模方法大多以有限元法(FE)、計算流體動力學(CFD)、多學科機理分析與深度學習組合方法，由于系統仿真與試驗測量結果之間存在差異，并隨著時間的推移誤差逐步增大，最終導致無法真實擬合物理模型。因此，通過對所建立的數字孿生模型進行更新模型設計具有重要的科學與實際意義。

相關的專利共計四項：其中發明專利《航空發動機渦輪盤-轉子-支承系統數字孿生建模方法》中公開了一種航空發動機渦輪盤-轉子-支承系統數字孿生建模方法，建立了由多個子模型結合的多物理場仿真平臺，通過建立統一物理模型，仿真計算結果與經降噪特征提取處理后的實測信號進行對比分析，對統一物理模型進行優化，獲得實時同步的航空發動機渦輪盤-轉子-支承系統數字孿生模型。發明專利《數字孿生驅動的航空發動機渦輪盤剩余壽命預測方法》中公開了一種數字孿生驅動航空發動機渦輪盤剩余壽命預測方法，利用航空發動機渦輪盤的數字孿生對渦輪盤振動信號進行仿真，最終利用更新后的航空發動機渦輪盤損傷模型計算剩余壽命。發明專利《一種軸承試驗臺數字孿生建模方法》中公開了一種軸承試驗臺數字孿生建模方法，利用有限元模型與深度學習聯合構建數字孿生模型，實現了潤滑狀態下軸承試驗臺復雜工況仿真分析，可實時獲取具備高可靠性的運行參數。發明專利《一種基于數字孿生的試驗臺系統》中公開了一種基于數字孿生的試驗臺系統，其中包括物理試驗臺系統、虛擬試驗臺系統與一體化服務系統，利用服務系統間的信息流相互傳遞，高效、充分的研究了葉片碰撞振動動態過程。

雖然上述的轉子系統數字孿生建模方法給出了一些建模方案，但仍存在一些問題，具體的技術特點與缺陷分析如下：

發明專利《航空發動機渦輪盤-轉子-支承系統數字孿生建模方法》中雖然給出了航空發動機渦輪盤-轉子-支承系統數字孿生建模方法，但是只考慮結構動力學模型、熱力耦合模型、應力分析模型以及損傷演化模型，并沒有對所建立的數字孿生模型進行更新修正，導致真實模型與數字孿生模型誤差會隨著時間逐步變大，嚴重影響了數字孿生模型與物理實體的映射精度，而該專利未給出解決此問題的具體方案。

發明專利《數字孿生驅動的航空發動機渦輪盤剩余壽命預測方法》中建立的數字孿生模型包括轉子系統，軸承磨損，油膜溫度過高或者轉子振動不穩定故障類型，將工況/環境參數實時輸入到統一物理模型之中，并利用統一物理模型對航空發動機渦輪盤的實時振動信號進行仿真計算，雖然保證了數字孿生模型的真實性，但未考慮時間步，可在數字孿生模型運行前具有真實性，但在運行過程中無法保證數據精度且該專利未給出解決此問題的具體方案。