航空发动机试车半物理仿真技术

　　摘要 本文对航空发动机试车过程的半物理仿真问题进行了研究，提出基于某型发动机设计模型和大型CAVE环境的试车半物理仿真方发，解决了发动机及子系统性能计算模型构建、异地分布式半物理仿真系统体系架构设计、CAVE环境中的基于发动机3D模型的试车数据实时可视化等关键问题，为正在研制的某型发动机试车半物理仿真系统奠定了理论和方法基础。

　　【关键词】航空发动机 发动机试车 半物理仿真 数据实时可视化 虚拟现实

　　航空发动机属于技术含量极高的复杂产品，研制周期长且代价高昂，因此研制过程广泛使用各类仿真技术，近年来发动机试车也开始应用仿真技术。

　　随着计算机技术的快速发展，仿真技术也得到了长足的发展。早期仿真主要是依托数学模型的计算仿真，结果数据处理较为繁琐，通常是事后进行专门的结果数据分析，这种仿真方式不适合人在回路类型的仿真。三维建模与虚拟现实技术的发展为仿真提供了新手段，3D几何模型可将仿真对象的形状/结构直观地表达出来，仿真结果除了可以使用2D表达方式以外，还可以仿真对象的行为方式直接表达，如发动机喷口收/扩动作、各类阀门的开关动作等。而3D数据可视化技术、特别是矢量场、标量场可视化技术则可以表达更为复杂的瞬态3D场数据，将它们与3D几何模型结合即可将仿真对象的各种行为形象地表现出来。

　　航空发动机研制过程中需要对发动机进行试车，试车的风险和难度都非常的高，同时也要求试车操作人员能够熟练操作，若操作失误或未及时处理突发事件则可能引起重大事故。培养试车人员需要时间和成本，甚至存在一定风险。目前航空发动机的功能与性能仿真已经大量应用，并具有一定的成熟度，国内西北工业大学、南京航空航天大学、北京航空航天大学、上海交通大学、空军工程大学等单位都对航空发动机虚拟仿真、半物理仿真有较长时间的研究，并在一些航空发动机本体仿真、控制系统的研发中得到应用。

　　航空发动机试车仿真和本体仿真的不同之处在于，试车属于人在回路仿真，仿真主要是为了培训和考核试车人员，不仅要求仿真过程响应快速、计算准确，而且人的操作过也需要进行高相似度仿真。国内航空发动机试车仿真方面的研究较少，西安航空学院在2014年建立了国内首个“某军用航空发动机半物理仿真装置”，其发动机半物理仿真装置软件系统，使用了基于具有某军用发动机的大量整机试验测量数据建立的试验模型，虚拟技术应用较少。目前国外已有较多的研究，并开始投入使用。

　　1 航空发动机设计模型及其试车半物理仿真系统

　　1.1 航空发动机设计模型

　　航空发动机的性能指标包含温度、流量、压力、振动、频率等多种物理量，涉及到的试车参数有近千个。这些物理量之间存在耦合关系，而物理量之间均与时间相关，通过时间将物理量关联起来。一般的仿真性能计算往往只考虑某些状态或少数物理量之间的耦合，极少将发动机控制系统考虑在内。

　　本研究仿真试车台上使用的某航空发动机数学模型包含了控制系统模型和发动机性能模型，包含多物理量的耦合计算，因此基于该设计模型可构建闭环的仿真环境，对发动机各种工况下的工作过程进行仿真。此外，该模型可支持故障植入，实现对故障过程的仿真以及对操作者故障处理技能的培训。

　　1.2 航空发动机试车半物理仿真系统

　　航空发动机试车半物理仿真系统由软件和硬件两部分组成，在现有的发动机数学模型基础上，开发试车数据采集控制软件、数据计算与计算调度软件、数据输入/输出管理软件，实现对发动机起动、转速的实时控制和运行状态信息的采集，并对数据进行计算，根据计算后的输入数据输出相关数据驱动3D模型实时变化来仿真真实试车情况。其操作与显示方式与真实试车台完全一致，区别仅在于：虚拟发动机模型代替真实发动机，虚拟试车场景代替真实试车环境。其软硬件组成示意如图1所示。

　　1.2.1 试车半物理仿真系统功能

　　系统的目标是为试车台操作人员提供与真实试车台操纵间高度相似的半物理虚拟仿真环境，包括操纵台、油门杆、按钮、指示灯、数字显示屏，以及虚拟的三维发动机展示模型、试车台辅助工艺系统的运行状态示意图等。

　　半物理仿真环境的后台集成了航空发动机数字模型、虚拟现实接口程序和数据采集模块，可对真实的航空发动机试车过程进行仿真，从而可用于发动机研发过程的试车操作培训、故障排除训练、试车过程分析等。除试车人员技能培训外，借助现有的三维视景系统(CAVE)，该仿真平台也可以完成试车台工艺流程三维展示、真实试车过程的异地实时试车目击、典型发动机性能故障模拟、真实试车数据的全过程再现等功能。

　　1.2.2 系统硬件组成航空发动机半物理虚拟试车台系统硬件

　　主要包括模拟操纵台和CAVE显示系统。

　　模拟操纵台：

　　模拟试车台主要由计算机子系统、控制子系统、操作控制装置、输出显示装置等构成。模拟试车台是发动机试车过程中交互操作和仿真计算的主要承担者，包括试车的各种设置操作、试车过程中的发动机控制操作、发动机工作性能仿真计算和各种数据处理及结果输出。

　　CAVE系统：

　　本系统将使用CAVE虚拟现实系统进行试车过程的发动机状态显示、试车中心漫游、燃油子系统状态显示、空气起动子系统状态显示和试车工艺流程显示。

　　如图1所示，本平台的CAVE系统为典型的主从机架构，主从機通过局域网相连：主机负责对外通信和交互操作，它控制3台从机完成3个通道的显示输出。3个从机(图形显示输出终端)分别是：1号机负责左侧小屏幕输出;2号机负责正面大屏幕输出;3号机负责下面大屏幕输出。由于对外通信、交互操作只能在主机上进行，因此上述的5种显示的设置与交互操作均需要在主机上进行，从机上根据主机的指令来显示相关信息。因此对应的软件模块均需要是主从模式的，主控端和显示端分别在主从机上运行。

　　推荐阅读：《航空工程进展》(季刊)创刊于2010年，是由中国航空学会西北工业大学主办的航空刊物。办刊宗旨是反映我国航空科技与工程领域的最新成果。

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