《航空发动机数字孪生工程：内涵与关键技术》
论文**《航空发动机数字孪生工程：内涵与关键技术》是《航空学报》2024年第21期封面文章。本文由北京航空航天大学陶飞学士**、大连理工大学孙清超学士、西北工业大学孙惠斌学士、大连理工大学穆晓凯学士、北京航空航天大学张贺研究员、宋鲁凯研究员以及朱剑琴学士和陶智学士等合作完成。
航空发动机作为精密工艺与尖端科技完美结合而成的核心装备，在实现高性能的同时必须兼顾高效率这一重要指标；它不仅依靠设计制造试验运维等多方力量协同工作更肩负起强国梦想与强军使命。数字孪生工程作为一项创新性举措其核心在于充分挖掘数据模型服务等虚拟资产的价值并整合仿真预测优化等多种智数化技术；基于全生命周期系统工程的创新模式多学科协同的高效平台以及多要素耦合分析的全局视角全方位提升航空发动机的设计制造试验运维能力从而为其全产业链的发展注入强劲动力。
摘要
文章①从研发工作、变革举措、创新成果 三个维度深入探讨了航空发动机数字化发展趋势，在全生命周期视角下提出了航空发动机数字工程的6个阶段共18个需求趋势与挑战；通过系统分析数字孪生在航空发动机全生命周期中的应用现状, 发现航空发动机在理论体系建设、组织协作效率、软件平台支撑、标准规范制定等方面存在明显不足；以作者团队前期提出的数字孪生五维模型、数字工程‘数智眼’体系架构以及数字试验测试验证体系架构为核心研究框架,进一步深化构建了航空发动机数字孪生工程的内涵与体系架构,并对其中涉及的关键技术体系进行了深入研究；从思想层面的技术深度理解与技术创新能力培养、技术创新路径探索与技术方案设计优化等多个维度,对推进发动机数字孪生工程发展提出了若干具体建议.这些研究预期将为提升航空发动机数字孪生工程的智力运用效能以及推动其设计制造试验测试验证交付运维回收全生命周期能力的全面提升提供理论支撑和技术指导,有力助力实现航空发动机数字化智能化研制水平和服务效能的重大跨越.
一、航空发动机数字工程发展趋势与需求
作为"飞机的心脏"这一比喻形象生动地描绘了航空发动机的重要地位。它不仅代表了一个国家的科技创新水平和工业基础建设，在现代工业领域中也扮演着至关重要的角色。随着全球航空产业向数字化转型迈进，《数智化》这一趋势加速推动着相关技术的发展。基于此背景，《大推力》《高效率》《长寿命》《低能耗》以及拥有完全自主知识产权的新一代航空发动机的研发已逐渐成为各国制定重要战略目标的核心内容。结合作者团队在数字工程[1]以及数字孪生理论体系[2-3]等技术领域的前期研究成果，并融合了国内外航空发动机研发多年的实践经验；从行业发展现状及未来趋势两方面深入探讨当前 aircraft动力系统的发展方向及未来需求
1.1 航空发动机未来发展趋势与需求
回顾航空发动机的技术演进历程
1）“正向研发、协同研发、高效研发”的发展需求趋势
2）“效率变革、动力变革、质量变革”的发展需求趋势
3）“科技创新、产业创新、融合创新”的发展需求趋势
1.2 航空发动机生命周期数字工程18个需求
传统研发模式已无法适应航空发动机数字化[7]、信息化[8]、智能化[9]以及体系化[10]的发展要求。构建覆盖设计-制造-试验-测试-验证及运维的全生命周期数字工程已成为推动行业发展的重要战略方向[10]。本文进一步聚焦于航空发动机全生命周期数字工程的核心关注点——提出了包含18个具体需求趋势的核心技术方向。
二、数字孪生在航空发动机生命周期中的研用现状
本章从研制阶段、生产制造环节、试运行验证环节以及使用维护保障体系四个主要方面入手，在发动机全生命周期范围内归纳总结数字孪生的应用研究和演进历程。
2.1 基于数字孪生的航空发动机设计研究现状
2.2 基于数字孪生的航空发动机制造研究现状
2.3 基于数字孪生的航空发动机试验测试验证研究现状
2.4 基于数字孪生的航空发动机运维研究现状
2.5 航空发动机数字孪生研究现状小结
1）基础理论与技术体系不健全
2）数据/模型组织与协作机制不明确
3）专业软件与工业平台不完备
4）行业标准与相关规范不完善
三、航空发动机数字孪生工程内涵与关键技术
3.1 航空发动机数字孪生工程概念与体系架构
本文试图探索航空发动机数字孪生技术的概念, 即从全生命周期的角度出发, 开发构建包含生命线程、模型线程、数据线程以及服务线程在内的四个维度体系[1,80]. 该技术旨在实现涵盖生命周期工程、数字孪生模型工程以及孪生数据工程等多个方面的系统性发展, 并支持提升正向协同设计能力、高性能制造工艺水平以及试验验证能力等核心指标, 最终满足新一代航空发动机研制需求的技术要求. 研究团队将基于现有成果, 提出新的航空发动机数字孪生技术体系架构
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3.2 航空发动机数字孪生工程关键技术
本节深入阐述了航空发动机全生命周期的需求，并对其中涉及的关键技术进行了探讨。
以下为改写后的文本
四、航空发动机数字孪生工程若干思考
旨在实现航空发动机数字孪生工程目标的同时,有助于推动我国航空发动机的跨越式发展,经过研究后提出以下几点建议
1）活用数字化、系统化思想实践航空发动机数字孪生工程
2）重视全生命周期数据和模型的积累、集成与融合应用
3）强化多学科、多领域交叉融合与协同
4）拥抱 New IT 技术助力航空发动机设计-制造-试验-运维能力提升
5）建立完善航空发动机数字孪生工程标准体系
6）推动航空发动机数字孪生工程资源优化整合及产业发展
五、结束语
本文：
探讨了航空发动机数字化智能化的发展趋势，并从全生命周期的角度出发进行了深入分析和系统性探讨，在设计制造试验测试验证交付运维回收等多个阶段揭示了航空发动机数字工程面临的诸多挑战。
基于系统性回顾国内外相关领域的数字孪生技术发展现状，在深入分析的基础上指出航空发动机全生命周期的数字孪生研究中存在理论体系构建不足、组织协作机制缺失以及软件平台支撑不够完善等问题。
该研究阐述了航空发动机数字孪生工程的概念内涵及其参考架构体系。系统探讨了数字孪生技术在提升 aircraft engine design efficiency, manufacturing automation, and intelligent operation and maintenance aspects, while highlighting its value in enhancing operational effectiveness. Further elaboration is provided on the key technologies required to achieve digital twin capabilities for aircraft engines.
为了更好地实践航空发动机数字孪生工程，在此基础上并结合前期积累的数字化智能化经验提出了若干思路与优化建议
未来将进一步深化完善所构建的航空发动机数字孪生工程理论体系，并对相关技术体系进行深入探讨；同时针对不同型号的航空发动机特定需求与问题展开系统性的理论研究与应用实践工作。
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DOI:10.7527/S1000-6893.2024.30283