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摘要：本文對航空發動機航空發動機協同研制過程進行了分析，建立了航空發動機協同研發過程和分模塊共性模型，在此基礎上，定義了航空發動機協同研發數據組成元素描述文件，并詳細介紹了數據組成元素中的數據交換接口描述文件的實現過程，為后續建立更高效的航空發動機協同研發仿真數據管理模式提供了借鑒和參考。

關鍵詞：航空發動機；協同研制；共性模型；數據組成；數據交換

接口航空發動機是裝備制造業的尖端，其發展水平是一個國家綜合國力、工業基礎和科技水平的集中體現，是確保國家安全的重要戰略裝備。傳統的航空發動機研制模式主要依賴于經驗和試驗驗證，造成周期長、經費投入多。隨著計算科學和信息技術的飛速發展，世界先進發動機國家的研發模式正在從傳統的“設計-試驗驗證-修改設計-再試驗”反復迭代的V模式發展為向基于模型的預測設計（雙V）模式，該模式對航空發動機產品的協同研制模式及其數據管理方式提出了更高的要求，本文對航空發動機產品協同研制過程中仿真數據管理方式進行了研究，利用數據建模與管理技術在產品設計過程中對仿真數據進行有效管理，縮短產品研制周期，提升產品研制效率。

1概述

航空發動機協同研制應用起源于20世紀80年代末，當時世界航空產業均面臨提高航程及載重量的巨大挑戰，波音等航空巨頭竭力在機型上推陳出新，而當時發動機的研發速度卻遠遠跟不上飛機機型更新速度。GE公司在此方面展開了大量研究，希望通過徹底改變其產品研發模式，使其航空發動機的研發速度達到質的飛躍。GE公司結合其多年航空發動機的研發經驗，總結出一套完整的協同產品研發制造模型的概念，并應用于GE的所有發動機研發過程中。其重點是強烈關注產品概念設計階段的研究，做到產品在預時已經滿足了絕大多數指標要求，并大量使用產品需求和目標系統分解技術以及主模型（MasterModel）技術，達到縮短發動機的研發周期目的。1998年GE針對CAD/CAE/CAT/PDM模型數據及方法進行改進，將其發動機的研發由平均60個月降到24個月。在2000年，在基于某航空發動機母型機變型機研發中，采用并行工程的技術，使研發周期縮短一半，節省50%的研發成本，節省80%的制造成本，工程師只利用原來25%的時間，就完成了20次詳細的設計迭代。在隨后GE對研發過程持續改進，于2004年將研發周期從24個月降低到18個月。分析GE公司近30年的產品協同研制技術的發展，其支撐技術就是IT技術的應用，主要表現在以下四個方面：（1）計算機網絡和通信技術：四通八達的網絡使集成研發和設計/制造協同成為可能。（2）主模型(MASTERMODEL)：基于三維實體模型的主模型是并行工程的基礎，是設計、分析和制造，甚至包括產品支持等專業之間數據交換所必須的統一的數字化模型。（3）快速原型仿制技術(RapidPrototyping)。（4）計算機分析和仿真技術，大量復雜的氣體流動過程、復雜的機械運動過程。已經可以利用計算機仿真來加以準確描述，使得物理試驗大大減少。分析上述的二、三、四點，核心技術就是數據管理技術。

2航空發動機協同研發模型

航空發動機的研發過程中按四個階段開展，需求及概念設計、初步設計、詳細設計以及制造和試驗驗證階段。在需求和概念設計階段可以有技術研究和預先研究兩條路線，初步設計階段以后以產品設計為主。每個階段都存在分解與設計、集成與驗證的過程。具體業務過程描述模型如圖1所示。航空發動機協同研發的每個階段都可以分解成若干個工具或經驗組成的研發模塊，這些研發模式中包含一系列的規則和方法，在協同研發過程中研發模塊的操作對象各異，但是這些規則和方法是不變的。在統一業務模型的理論支持下，可以將這些研發模塊轉換為由人機界面、數據、操作（活動）構成的標準模型，實現航空發動機協同研發過程中設計資源的積累、共享與重用，無論是哪類的協同研發模塊，模型描述如圖2所示。

3基于航空發動機協同研發的仿真數據管理

航空發動機協同研發過程中會通過協同研發模塊的調用，產生多專業數據。具體來說，是通過信息化手段采集的數據，包括在主流各環節中產生的模型、圖紙、技術文檔等數據，構建基于項目的研發過程數據模型，實現多專業數據的結構化管理，達到數據的合理復用與借鑒。航空發動機協同研發仿真數據管理包括：數據描述、數據存儲、數據技術狀態管理、數據對比分析、數據可視化等等功能。數據管理組成元素如圖3所示。航空發動機在設計過程中，要經歷不斷演進和反復迭代，數據不斷更新、完善，方案螺旋式進化，直至結果最終確定。數據統一在數據中心進行存儲管理。對航空發動機設計過程中各階段產生的研發數據，需要通過預先設定的簽署流程進行審核批準，才能進入下一個階段。數據在迭代過程出衍生出不同的版本和技術狀態，需要通過版本控制和技術狀態管理實現數據的有效管理，而用戶可以通過檢索或數據的可視化，查看并使用各個版本的數據。不同類型的數據通過標準的數據接口進行交換。由于文章篇幅所限，不詳細列舉研發數據各個組成元素的實現邏輯，以數據接口為例進行說明。數據交換接口的功能是確保航空發動機協同研發模塊模型在進行多學科/多部件/多維度設計和仿真時，數據能高效、準確傳遞，同時可以保障系統的開放性和擴展性。由于航空發動機的設計涉及多個學科，多個部件，多個維度，為了在各學科、各部件以及各維度之間進行有效的數據傳遞，建立了一套完整的數據標準格式規范。各學科、各部件以及各維度仿真時，都以此格式規范輸入輸出自己的仿真數據，從而保證數據在各協同研發模塊中的一致性。航空發動機數據模型的描述涵蓋多專業、多維度，且盡可能完整地收集設計中需要的全面信息，包括數據的物理意義、類型、大小等等，并根據收集到的信息對數據進行分類，盡量保證數據不重復，不遺漏。且在格式規范中預留了擴展空間，便于在今后對格式規范進行必要的修訂，且在修訂中不會對過去已有的數據造成影響，現存的各個設計計算軟件的輸入輸出文件可通過數據交換接口轉換成通用數據文件格式，以便實現各個軟件之間的協同工作。將來開發的計算程序，必需以通用數據文件為輸入輸出文件的格式，以此實現和現存的計算程序的對接以及協同工作。另外，由于設計環境各異，該數據交換接口具備平臺無關性，可支持跨平臺使用。數據模型的交換接口用CGNS格式描述，CGNS格式是較為主流的多學科、跨步件、多維度數據交換格式，包括兩個基本部分。第一部分是叫做標準接口數據結構（SIDS），詳細描述被儲存信息的技術內容。第二部分叫做文件映射，定義了所存儲的數據在CGNS文件中的確切位置。除了標準格式，CGNS還開發基于此標準格式的應用工具。CGNS文件的讀取和寫入都是通過ADF（高級數據格式）來完成的。ADF管理一個樹狀數據結構，并按二進制文件存儲。由于文件的格式完全由ADF控制，而ADF又是由標準C語言編寫的，這些文件和ADF本身都可以移植到任何支持標準C語言的計算平臺。ADF可單獨獲得，其中包括了一個用于大型科學數據存儲的有用工具。由于ADF本身不具有文件映射內容，為了簡化對CGNS文件的訪問，提供了一個“中間層程序庫”作為軟件的第二個層級。一個典型的CGNS數據結構如圖4所示。掛接在根“節點”下的是一個存有全局參考狀態信息的節點和一系列的計算域節點。圖中顯示了掛在第一個計算域節點下的節點；類似的，數據庫中的每一個計算域節點下都掛有節點。完整的CGNS數據格式主要包括如下部分：（1）基本約定。數據結構符號約定、索引約定、多個域連接等內容定義。（2）塊結構定義。數據格式中需要用到的基本數據結構定義。（3）數組結構定義。數組定義，以及與數據無量綱化相關的各種信息。（4）層次體系結構。數據格式的總體層次結構定義，還包括版本信息，數據的優先級和有效范圍等。（5）計算結果。多種類型計算結果的結構定義。（6）多區交界面連接關系。多區連接關系結構定義。（7）混合數據結構。離散數據定義，如：設計參數、用戶自定義數據等等。通過上述數據模型交換接口的定義，實現了數據交換格式的統一描述，從而實現數據的快速傳遞和銜接。

4試驗測試數據對仿真數據的校核

目前試驗數據主要通過試驗測試集成軟件進行處理，試驗測試集成軟件主要包括采集、監視、分析、存儲、顯示、事件管理、傳感器庫、數據、賬號管理、數據等功能模塊，如圖5所示，試驗測試集成軟件包括標準化設備驅動、專業化試驗測試集成、測試數據實時分析、數據采集虛擬化管理四個模塊。標準化設備驅動模塊在開發過程中將應用基于GDI的設備接入技術，并使用設備接入組件、工程配置組件、設備自檢組件。專業化試驗測試集成模塊在開發過程中將應用高精度數據同步技術，并使用試驗設置組件、傳感器庫組件、事件管理組件、數據可視化組件。測試數據實時分析模塊在開發過程中將應用數據實時分析、處理技術，并使用算法管理組件。數據采集虛擬化管理模塊在開發過程中將應用硬件設備虛擬化技術，并使用硬件設備虛擬接入組件、系統控制組件、系統工具組件、數據管理組件、系統日志組件、數據顯示組件。試驗測試集成軟件是綜合技術性很強的系統，經歷了分散、集中向綜合集成方向發展,在我國產業和產品結構的調整中發揮重要作用。試驗測試集成軟件當前技術發展的總趨勢是綜合、開放、集成，即系統的功能應是綜合的、結構應是開放的,并應集成在一個系統中。試驗測試集成軟件提供前端數據采集端和遠程試驗監視端兩個子系統組成的試驗測試集成軟件，采用TCP/IP通信協議，實現分布式網絡測控中各子系統的數據通信。采用SOA架構技術和模塊化設計，實現系統的模塊化、可擴展性等特點。提供對外開發接口，滿足信息化建設中系統集成需要和二次開發需要，滿足不同用戶的需求。試驗測試集成軟件系統通過數據采集計算機讀取硬件信息，并實時存儲在本地硬盤中。系統對采集到的數據進行運算處理，然后通過網絡向各個終端顯示器計算機進行分發。試驗測試集成軟件現場應用驗證的業務邏輯如圖6所示。基于上述業務場景，實現試驗數據的采集、處理和導出，同時，基于仿真數據管理系統的EBOM（設計物理清單）和試驗測試集成軟件的TBOM（試驗物理清單），進行仿真數據和試驗數據的關聯對比，最終實現試驗數據對仿真數據的校核。

5結論

數據作為新的生產要素發揮越來越重要的作用，特別是在航空發動機這類復雜產品研制過程中，數據的有效使用和積累可以直接轉化為先進的生產力。構建一套主干剛性、末端靈活、架構統一的航空發動機協同研發系統的關鍵技術之一就是實現數據的快速的有效流轉，通過仿真數據抽象、仿真數據模型定義、仿真數據接口標準化、數據技術狀態管理等技術的研究，已初步解決了數據的同一源頭和有效流轉問題，后續，應進一步對數據的各項技術進行深入研究，實現數據更高質量、高效率的協同與交換。

參考文獻

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作者：賀穎 李本旺 單位：中國航發湖南動力機械研究所