数字孪生技术在航空发动机智能生产线中的应用

数字孪生技术在航空发动机智能生产线中的应用

纪希成

湖南南方通用航空发动机有限公司 湖南省株洲市 412002

摘要：随着科学技术的不断发展，并且在生产制造的生产线当中，智能制造得到了较为广泛的运用。在智能制造的过程中，数字孪生技术逐渐在生产车间的系统设计、资源管控、远程监控等方面得到运用，数字孪生的关键技术主要是建模、仿真、虚拟现实、数据采集以及高性能的计算能力等。近年来，我国的航空技术随着经济科技的不断发展而得到了较大的发展，然而，在一些制造领域中，仍然存在着一定的缺陷。数字孪生技术在航空发动机智能生产制造中的运用，对于其制造有着明显的提升，为航空发动机高质量生产提供了技术保障。

关键词：数字孪生技术、航空发动机、智能生产线

引言

随着科学技术的不断发展，大数据以及智能化等信息技术无论是在我们的生活中还是在工业生产过程中都较为广泛的运用，在工业制造方面，随着科技的不断发展，传统的生产制造方式已经不能够满足大数据时代下的生产需求，而大数据以及智能化等信息技术在工业生产中额运用，对传统的生产技术造成了一定的冲击，并为其注入了新鲜的血液，使得其运用、生产以及商业模式都得到了一定程度的变化。在航空制造业中，数字化工程最先在国外先进的航空制造企业当中运用，其将数字孪生、物联网、大数据等技术与产品的研制进行融合。在我国的航空生产制造行业中，对于航空发动机的研制技术属于现如今对于技术研究的关键环节，而数字孪生技术在航空发动机生产制造中的运用，为其实现高质量发展提供了一定的技术的支持与保障。

1. 数字孪生技术概念以及应用场景：

1. 数字孪生技术概念：

数字孪生技术具有普遍适用性，其无论是在产品设计、制造或者是是在工程建设亦或是在城市管理方面，数字孪生技术都能够适用。数字孪生是一个对物理模型、传感器更新、运行历史等数据进行充分的利用，最终集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的一个仿真过程，是实际物理产品的数字化的表达。数字孪生技术在对产品进行生产制造的过程中，对模型中的数据进行仿真分析，并且再将所分析的数据传输给全三维几何模型，再由全三维几何模型传输给数字化生产线中，数字化生产线根据所传输的数据对其进加工生产，最终生成真实的一个产品。模型和算法是数字孪生技术得以实现的关键，其能够在一定程度上影响孪生体之间的映射关系以及可控性。

2. 数字孪生技术的应用场景：

在航空发动机生产制造的过程中，由于其需要在高温、高压等较为复杂的情况下使用，因此对于航空发动机的制造而言，其具有复杂的结构以及技术难度大、研发周期长等特点。在传统的航空发动机制造技术，其主要是运用物理实验，但是需要耗费大量的资金以及研究时间，且风险较高。而数字孪生技术在产品设计、生产制造等各个环节中的运用，能够大大的提高航空发动机的研发效率，降低生产成本，从而促进航空发动机的高质量发展。

数字孪生技术在对航空发动机进行产品设计的过程中，将数字样机与设计需求两者组成一对虚实的孪生体。在设计的过程中，将整机、子系统以及零件的设计模型通过仿真软件对其结构的强度以及性能进行充分的分析，并且将最终分析的结果与对其的设计需求进行对比，而这样的设计在一定程度上能够缩短对于产品设计的一个周期。

在对航空发动机进行实验验证的过程中，此时物理实验和虚拟实验则组成一队虚实的孪生体。在传统的实验验证中，通常是采取物理试验，尽管物理试验对于实验结果有着一定的确定性，但是其仍然还是存在这一定的缺点，物理试验的试验成本较高并且实验周期较长等。而数字孪生技术在试验验证中的使用，能够获取更为完整的实验信息，且其试验成本相较于物理试验而言有所降低，在一定程度上能够弥补物理试验所存在的不足之处。

在对航空发动机进行生产制造的过程中，需要将现实的车间与虚拟车间组成一对虚实的孪生体。而在其制造的工程中，能够对生产线的各种关键参数进行模拟分析并且将现实车间的一个实际运行的状态向虚拟车间进行模拟。现实车间与虚拟车间两者之间相互结合，优化生产结构以及业务的流程。

在对航空发动机进行运行保障的过程中，此时航空发动机的物理产品需要和虚拟的产品进行组合并且形成一对虚实孪生体。航空发动机企业一般会通过长安器的数据对发动机的实时状态进行监控，根据传感器所传达的数据以及与历史数据相结合，对发动机的状态以及寿命进行预测等。

2. 智能生产数字孪生技术实践：

1. 数字孪生系统组成：

模型在数字孪生技术当中，是作为一个基本的存在，而搭建的智能生产线的虚拟系统与物理系统，能够实时的反应出智能生产线的实际状态。在虚拟系统中，有产品和生产线的数字孪生。三维模型是产品数字孪生的单一的数据源，其通过工艺设计以及仿真的先关软件对生产零件在被加工的过程进行分析。

2. 技术实现以及应用效果：

①技术实现

数字孪生技术在产品制造中的实现主要是通过产品的数据管理以及三维设计软件。而又在三维模型的基础上进行相应的工艺活动，最终对现场的制造形成一个执行数据，将数据传输到制造执行系统当中并且最终传输到车间的产品加工过程之中。在对产品进行生产的整个设计、工艺、制造三者之间无缝衔接，最主要的关键因素便是三维模型。而生产线数字孪生能够对生产过程中的车间的实时状态进行监测并且对其进行快速的调试，实现虚拟生产数字模型动作与物理生产线的动作同步。

②应用效果：

智能生产线的建设以及数字孪生技术在航空发动机生产制造中的运用，实现在数字化生产并且在加工生产的过程中，减少人员的值守，减少了制造工序以及提升了工作效率，其产能是使用数字孪生技术前的两倍，降低生产成本。数字孪生技术的运用能够在一定程度上减少对于物理生产线的生产周期并与此同时保证生产的质量。

3. 总结：

总之，随着科学技术的不断发展，数字化技术在生产制造中的运用已随处可见。在航空发动机制造的过程中，由于其使用环境较为复杂，因此，在制作的过程中，传统的制造技术需要花费大量的资金以及周期，而数字孪生技术在航空发动机制造中的应用，为航空发动机制造的高质量发展提供了技术保障。

参考文献：

[1]崔一辉,杨滨涛,方义,等. 数字孪生技术在航空发动机智能生产线中的应用[J]. 航空发动机,2019,45(5):93-96. DOI:10.13477/j.cnki.aeroengine.2019.05.016.

[2]朱宇,李海宁,曹志涛,等. 数字孪生在航空发动机制造工艺中的应用探索[J]. 航空动力,2019(4):55-60.

[3]陈川,陈岳飞,曾麟,等. 数字孪生在智能制造领域的应用及研究进展[J]. 计量科学与技术,2020(12):20-25. DOI:10.3969/j.issn.2096-9015.2020.12.05.

[4]王静. 基于数字孪生技术的数字档案馆建设探析[J]. 浙江档案,2021(7):47-49.

[5]王爱民. 面向智能生产管控的数字孪生技术[J]. 人工智能,2021(2):12-20. DOI:10.16453/j.cnki.ISSN2096-5036.2021.02.002.