刘晓玉
【摘 要】针对目前国内外仿真标准缺乏和凌乱的现状对航空发动机仿真标准体系进行了研究和分析，首先分析了国内外航空发动机仿真技术的发展历程及趋势，接着对国内外航空发动机仿真标准的现状进行了梳理，并在此基础上结合研制需求提出了航空发动机仿真标准体系框架，用以指导制定具体的标准。
【关键词】航空发动机；仿真；标准体系
中图分类号： TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）09-0130-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.09.060
作为飞机的心脏，航空发动机是各国研究和投入的重点。几十年的发展，已使航空动力工业成为知识密集、技术密集、高投入、高附加值的高技术产业。其具有发展周期长、科研投入高，技术综合性和对抗性强，预研究成果筛选率高和研制风险大等特点。其成本过高的一个重要原因是必需进行大量大尺寸的试验，且随着发动机性能的不断提高，这一投入还在急剧增加。而在此方面，计算机仿真具有巨大的优势：可以减少试验工作量，有效降低研制费用，缩短研制周期。[1]
本文所提到的仿真限制为航空发动机数学仿真和半物理仿真，将仿真的概念限制为使用计算机系统实现产品性能计算、功能仿真、优化和验证的工程活动。
1 国内外航空发动机仿真能力的发展
20世纪80年代中后期，美國开展了高性能涡轮发动机综合技术（IHPTET）研究计划，而迅速发展的CFD技术在IHPTET计划的发展中占据了越来越重要的地位。为了充分利用先进的、高速发展的数字化信息和通讯技术，促进IHPTET计划的加速进行，NASA与美国国防部在航空航天推进系统仿真（Aerospace Propulsion System Simulation， 简称APSS）研究的基础上，于1989年正式提出了发展推进系统数值仿真技术（Numerical Propulsion System Simulation，简称NPSS）的研究计划。
NPSS的研究目标是以高性能计算平台为基础，以经过验证的推进系统各部件、系统及学科的工程模块为核心，对推进系统的性能、稳定性、费用、寿命及取证等进行快速的、可支付得起的数值仿真计算，形成航空航天推进系统“数值试车台”，实现推进系统的高保真三维动态多学科集成设计与分析，并最终实现推进系统/飞行器的一体化综合仿真。据估计，NPSS一旦研制成功和运用，将通过减少重复设计、试验和昂贵的硬件设施建设等为生产商节约30%到40%的研制时间和经费。无疑NPSS反映了当前发动机数值仿真的最高水平，并代表了将来一个时期的发展趋势和方向。[1]
与国外相比，我国虽然起点较低，但也在这方面做了相当工作。航空发动机仿真能力建设始于上世纪八十年代，采取各专业根据任务独立发展的方式，没有统一的发展规划；主要工作集中在零维、一维的总体、部件仿真程序编制及简单的有限元计算。“十五”之初，各专业仿真能力发展有了相对完整的总体规划，各专业相继开展了理论模型研究、仿真软件开发、数据库建设及初步的试验验证等工作，并引进商业仿真软件对设计结果进行简单的三维仿真验证。经过三个“五年”计划的持续支持以及信息化水平的不断提高，我国航空发动机已经初步形成了涵盖总体、进气系统、压气机、涡轮、燃烧室、加力燃烧室等十余个专业的仿真能力，基本能够支持从三维稳态到非稳态，从单学科到多学科（气热、气固耦合），从单一的流场仿真到运动学仿真、强度仿真、飞发一体化仿真等各类仿真分析工作，基本支撑了三代机、四代机研制。
2 国内外航空发动机仿真相关标准情况
为促进仿真技术发展及提高仿真技术应用水平，国外很早就开始仿真相关标准的研究与制定，部分国家军方和一些国际组织均发布了一些列标准。如美国军方实施了多个与仿真相关的计划，包括基于仿真的采办（Simulation based Acquisition，SBA）、“建模仿真主计划”（DoD Modeling and Simulation Master Plan，DoD 5000.59-P）、“采办建模和仿真主计划”（DoD Acquisition Modeling and Simulation Master Plan）等，并在各计划中着重对标准化工作做出了规划。国际标准包括AIAA CFD数据交换推荐指南（The CFD General Notation System）、IEEE 1278.X系列标准：分布式交互仿真（Distributed Interactive Simulation，DIS）、ProSTEP推荐系列指南：仿真数据管理——仿真分析数据与PDM环境的集成（Simulation Data Management-Integration of Simulation and Computation in a PDM Environment（SimPDM））等。国际标准及相关的协会标准以CAE应用的底层实现为主，其标准化对象主要集中在数据交换格式、仿真数据管理及管理软件、仿真元数据标准及仿真业务流程等方面
随着数字化技术在国内的应用逐步深入，仿真技术在产品全生命周期中的作用也越来越突出，但是，目前我国并没有制定与仿真或仿真建模相关的战略规划，而现有的一些国家标准也均是以直接转化等效国际标准为主。国家军用标准中与仿真相关的标准多以仿真试验标准为主，其标准内容除包括数学仿真以外还包括实物仿真、半实物仿真等内容，缺乏仿真计算、仿真优化等方面的应用标准，2012年起，持续形成了多份与仿真模型、仿真平台建设和仿真模型管理方面的国家军用标准。目前，航空航天工业行业及相关企业已经开始结合各自的实际情况，制定与仿真技术应用相关的标准。其中航空行业标准以电子产品的可靠性仿真为主，航天行业在结构有限元分析和控制系统仿真方面形成了部分标准，但从标准分析看，仿真标准尚未形成体系。
3 航空发动机计算机仿真标准体系框架及说明
航空发动机仿真的目标是建立有数据库支持的，通过试验标定的，达到工程实用程度的先进的、可靠的、智能化、多功能的发动机零维、一维、二维、三维发动机部件和整机数值仿真系统。其主要作用包括：新一代部件、发动机与子系统综合设计；设计预测模拟；故障检测与预估等。其中多功能是发动机仿真的一个重要特点，多功能是指：流场、温度场、应力场与多场耦合的数值仿真。[2]按照模块化、层次化建模的思想，以提高数据一致性和数据共享能力为目标，在分析各类型仿真的功能特性的基础上，初步分析了航空发动机计算机仿真标准体系框架结构，如图1所示。具体说明如下：
3.1 仿真基础标准
基础标准是共性的基础方面的标准，主要包括术语和定义标准、元数据标准、模块管理标准（包括模块划分、模块层次、模块命名、模块输入输出文件格式、参数命名等）、软件文档管理标准、信息分类与编码标准。
3.2 仿真管理标准
仿真管理标准包括项目管理标准（包括仿真软件的论证与开发、仿真软件评估和验收、及仿真软件维护和优化等标准）、配置管理标准、数据管理标准和安全保密管理标准。
3.3 设计仿真标准
按照仿真软件的功能特性，将设计仿真标准划分为设计过程仿真标准、设计预测仿真标准、故障预估和检测仿真标准3类，设计仿真标准以增强仿真模型建模的规范化和应用的规范化，提高仿真结果的一致性为核心。其中：
——设计过程仿真是以知识、流程和规范为基础形成的辅助设计工具，以流程模型，以及以流程模型为依托的数据库和模型的集成应用为核心。按照专业，其包括需求分析/论证/分解模型、总体设计模型、部件设计模型、系统设计模型，及专业设计模型间的集成接口规范标准。各专业设计模型标准可能包含流程模型、子模型分类、各模型建模要求、模型接口数据要求、及设计信息的保存管理要求等
——设计预测仿真是对设计结构进行的一种多学科的校验，通过有限元分析等模拟零部件的实际工作环境和工作状态，从而验证设计结构的合理性及设计部件的工作性能，从而为设计优化提供依据。按照仿真类型，仿真模型可分为流场仿真模型、温度场仿真模型、静力学仿真模型、動力学仿真模型等类型，及多学科联合仿真的接口规范。各类型仿真模型标准中可能会包含结构模型建模标准、网格划分标准、计算模型建模标准、边界条件标准及数据后处理标准等。
——故障预估和检测仿真包括故障树分析模型和发动机故障诊断模型，是在发动机工作原理和性能数据及大量故障数据的积累的基础上，进行的故障预估和诊断。
3.4 制造仿真标准
制造仿真标准是按照工艺类型进行的划分，可分为机加仿真模型、锻造仿真模型、铸造仿真模型、复材加工仿真模型等。其中各类型模型标准中应包括工艺模型建模标准、工装模型建模标准、加工设备建模标准、刀具建模标准、数控程序编制规范等。
3.5 计算机仿真资源库标准
为支持仿真的进行、仿真模型的持续优化和仿真模型的快速构建，需要形成相关的仿真资源数据库，包括试验数据库、发动机故障数据库、材料库、标准库和模型库。
3.6 计算机仿真环境标准
仿真环境包括仿真系统所用到的计算机软硬件要求，网络要求，和图像显示要求。
【参考文献】
[1]曹源，金先龙，孟光.航空发动机系统级仿真研究的回顾与展望，航空动力学报，2004 vol.19 No.4.
[2]冯国泰，黄家骅，王松涛.航空发动机数值仿真试验台建设中几个关键技术问题的讨论，航空动力学报，2002 Vol.17 No.4.
