數(shù)字孿生作為一種突破性的信息技術(shù)，自21世紀(jì)初被正式提出以來，已在制造業(yè)多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出變革性的應(yīng)用潛力。其概念最早可追溯至20世紀(jì)60年代美國國家航空航天局（NASA）為阿波羅計(jì)劃搭建的地面模擬器，通過通信技術(shù)使地面控制人員能夠調(diào)整模擬器參數(shù)以匹配在軌航天器的實(shí)際狀態(tài)。2003年，密歇根大學(xué)Michael Grieves教授針對(duì)產(chǎn)品生命周期管理問題，首次提出了"鏡像空間模型"的概念，后來發(fā)展為信息鏡像模型和數(shù)字孿生。2010年，NASA在《建模、仿真、信息技術(shù)和處理路線圖》中將數(shù)字孿生定義為"一個(gè)多物理量、多學(xué)科、多尺度、多概率、集成性的系統(tǒng)高保真仿真過程，由數(shù)字主線驅(qū)動(dòng)，利用傳感器實(shí)時(shí)信息、歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和高精度模型，在虛擬環(huán)境中映射物理實(shí)體全生命周期實(shí)際的狀態(tài)"。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)被視為解決傳統(tǒng)研制模式痛點(diǎn)的關(guān)鍵途徑。航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，通常依靠實(shí)物試驗(yàn)暴露設(shè)計(jì)問題，采用"設(shè)計(jì)-試驗(yàn)驗(yàn)證-修改設(shè)計(jì)-再試驗(yàn)"反復(fù)迭代的研制模式，造成研制周期長、耗資大、風(fēng)險(xiǎn)高。數(shù)字孿生通過構(gòu)建物理發(fā)動(dòng)機(jī)的虛擬映射，使得發(fā)動(dòng)機(jī)可以在虛擬環(huán)境中"試運(yùn)行"，從而提前暴露設(shè)計(jì)問題，減少實(shí)物試驗(yàn)反復(fù)、縮短研制周期、降低研制成本。航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間完成對(duì)實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的映射，并表達(dá)其全生命周期。

數(shù)字孿生技術(shù)具有多重核心特征，包括虛擬與現(xiàn)實(shí)交互映射、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用、動(dòng)態(tài)演進(jìn)以及可持續(xù)發(fā)展導(dǎo)向等。這些特征相互關(guān)聯(lián)、相互促進(jìn)，共同構(gòu)成了其強(qiáng)大的功能體系。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)中，數(shù)字孿生通過構(gòu)建與物理實(shí)體高度一致的虛擬模型，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、加工參數(shù)優(yōu)化、調(diào)試與運(yùn)維等操作，同時(shí)為數(shù)據(jù)采集和利用提供場景感知方案，支撐數(shù)控機(jī)床加工參數(shù)合理運(yùn)用，提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件加工效率和質(zhì)量。

一、民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生架構(gòu)

1.1 基于五維模型的技術(shù)架構(gòu)

民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生架構(gòu)通常采用五維模型結(jié)構(gòu)，包括物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、數(shù)據(jù)、服務(wù)和連接五個(gè)維度。在這一架構(gòu)中，物理發(fā)動(dòng)機(jī)是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)，通過構(gòu)建高精度虛擬發(fā)動(dòng)機(jī)模型，采集發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行、制造過程多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬模型實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測、性能預(yù)測等服務(wù)，其中連接環(huán)節(jié)確保物理與虛擬發(fā)動(dòng)機(jī)間實(shí)時(shí)通信與數(shù)據(jù)同步。相對(duì)于傳統(tǒng)模型，五維模型更適應(yīng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)，能夠全面整合設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行和維護(hù)等階段數(shù)據(jù)和流程。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建中，北京航空航天大學(xué)makeTwin團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)的"物理-模型-數(shù)據(jù)-連接-服務(wù)"數(shù)字孿生五維模型被廣泛采用。該模型建立了涵蓋模型構(gòu)建、評(píng)價(jià)、成熟度、數(shù)據(jù)管理、連接交互及服務(wù)應(yīng)用等方面的理論方法體系，已被廣泛應(yīng)用于火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)等復(fù)雜裝備的數(shù)字孿生模型構(gòu)建，得到了航天科技、空客等國內(nèi)外機(jī)構(gòu)的認(rèn)可。

1.2 多層次技術(shù)架構(gòu)

從技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度，航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生架構(gòu)可分為六個(gè)層次：物理層、鏈接層、數(shù)據(jù)層、模型層、功能層和應(yīng)用層。

物理層作為整個(gè)數(shù)字孿生體系的基礎(chǔ)支撐，不僅包括生產(chǎn)設(shè)備、工藝裝備和技術(shù)人員等實(shí)體對(duì)象，也涵蓋了工藝標(biāo)準(zhǔn)、操作規(guī)范、制度等邏輯對(duì)象。對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)而言，物理層包括發(fā)動(dòng)機(jī)本體、傳感器系統(tǒng)、制造設(shè)備和測試平臺(tái)等實(shí)體元素。

鏈接層借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、RFID技術(shù)、5G技術(shù)等通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物理對(duì)象和虛擬對(duì)象之間信息的交互與映射，確保物理層與模型層能實(shí)時(shí)通信。這一層負(fù)責(zé)采集發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)并傳輸控制指令，建立虛實(shí)之間的雙向通道。

數(shù)據(jù)層的核心功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)物理對(duì)象產(chǎn)生的狀態(tài)數(shù)據(jù)與加工數(shù)據(jù)的采集、過濾及處理，并將有效數(shù)據(jù)映射至虛擬對(duì)象，同時(shí)將應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋。數(shù)據(jù)層是實(shí)現(xiàn)虛擬對(duì)象實(shí)時(shí)更新和智能決策的核心，為模型層提供數(shù)據(jù)支持。航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)層需要處理來自QAR（快速存取記錄器）等多種數(shù)據(jù)源的海量信息，包括海拔、大氣溫度偏差、飛行馬赫數(shù)、燃油流量、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、排氣溫度等多項(xiàng)參數(shù)。

模型層以先進(jìn)的算法和仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合了MBD（模型基于定義）技術(shù)、人工智能技術(shù)以及虛擬制造技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了實(shí)物向數(shù)字化虛擬模型的轉(zhuǎn)換。通過對(duì)物理對(duì)象特性的模擬與識(shí)別，能夠精確反映其實(shí)時(shí)狀態(tài)，并根據(jù)收集的數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化自身模型，從而達(dá)到對(duì)物理對(duì)象動(dòng)態(tài)演化的準(zhǔn)確映射。西北工業(yè)大學(xué)噴氣推進(jìn)理論與工程團(tuán)隊(duì)提出的物理知識(shí)融入智能網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字孿生建模方法就是模型層的典型代表，該方法依靠明確的物理知識(shí)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，非明確的物理知識(shí)靠數(shù)據(jù)在物理知識(shí)的約束下訓(xùn)練出來。

功能層則根據(jù)不同業(yè)務(wù)需求被細(xì)分為若干子模塊，每個(gè)子模塊均能執(zhí)行特定的數(shù)字孿生任務(wù)，通過這些子模塊間的信息交互及功能組合，可以構(gòu)建出復(fù)雜且功能豐富的數(shù)字孿生系統(tǒng)。這些子模塊可能包括性能預(yù)測、故障診斷、健康管理等專用功能模塊。

應(yīng)用層致力于構(gòu)建企業(yè)級(jí)別的數(shù)字孿生平臺(tái)，在統(tǒng)一的虛擬空間內(nèi)重現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)從設(shè)計(jì)到報(bào)廢整個(gè)生命周期內(nèi)的各種場景，同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)測，為企業(yè)提供直觀、全面的決策支持，是數(shù)字孿生技術(shù)價(jià)值的最終呈現(xiàn)。

二、民用發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)與研究進(jìn)展

2.1 高保真建模與多尺度仿真

航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生建模面臨多學(xué)科耦合與多尺度分析的挑戰(zhàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)本身是一個(gè)集氣動(dòng)熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料學(xué)、控制理論等多學(xué)科于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，其數(shù)字孿生模型需要融合不同學(xué)科、不同尺度的物理規(guī)律。陶飛等人在其研究中指出，航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生需要集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，以完成在虛擬空間中對(duì)實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的映射。

在建模方法上，近年來出現(xiàn)了多種創(chuàng)新方法。西北工業(yè)大學(xué)噴氣推進(jìn)理論與工程團(tuán)隊(duì)提出了物理知識(shí)融入智能網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字孿生建模方法，即依靠明確的物理知識(shí)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，非明確的物理知識(shí)靠數(shù)據(jù)在物理知識(shí)的約束下訓(xùn)練出來。該方法避免了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模的不可解釋缺陷，并且大幅度降低了數(shù)據(jù)量需求，具有精度高、穩(wěn)定性好、時(shí)效性強(qiáng)的優(yōu)勢。

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能建模，南京航空航天大學(xué)李春華等人提出了基于QAR數(shù)據(jù)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能模型修正方法，通過循環(huán)迭代計(jì)算的設(shè)計(jì)點(diǎn)性能匹配和特性圖縮放和特性圖參數(shù)尋優(yōu)的非設(shè)計(jì)點(diǎn)性能匹配，借助GasTurb軟件，構(gòu)建了CFM756-7B發(fā)動(dòng)機(jī)在翼性能數(shù)字孿生模型。這種方法解決了制造商因商業(yè)保密不提供性能模型的問題，使航空公司能夠自主構(gòu)建發(fā)動(dòng)機(jī)性能模型，為定量評(píng)估各單元體健康狀態(tài)及關(guān)鍵件的壽命損耗提供基礎(chǔ)。

2.2 多源數(shù)據(jù)融合與智能處理

數(shù)字孿生技術(shù)高度依賴多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的有效融合。對(duì)于在翼航空發(fā)動(dòng)機(jī)，需要處理來自快速存取記錄器(QAR)的多種數(shù)據(jù)，包括海拔、大氣溫度偏差、飛行馬赫數(shù)、燃油流量、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、排氣溫度等參數(shù)。這些數(shù)據(jù)具有不同的特征和更新頻率，如何實(shí)現(xiàn)有效融合是一大挑戰(zhàn)。

復(fù)旦大學(xué)航空航天系孫剛課題組提出了基于深度多模態(tài)學(xué)習(xí)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷數(shù)字孿生框架，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際物理數(shù)據(jù)與仿真模型信息的高效融合。該方法將基于物理的模型(PBM)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型（DDM）的多模態(tài)信息進(jìn)行融合表示。研究構(gòu)造了多個(gè)深度玻爾茲曼機(jī)（DBM），從傳感器數(shù)據(jù)和非線性部件級(jí)模型仿真數(shù)據(jù)中提取特征，將這兩種模態(tài)的信息映射到高維空間并形成聯(lián)合表示，再與多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合形成MIF模型，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)故障檢測和隔離。

研究進(jìn)一步建立了針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能退化的自適應(yīng)修正模型（DAC），基于Kullback-Leibler散度計(jì)算不同飛行周期數(shù)據(jù)的概率分布差異，將KL值與選定的測量參數(shù)相結(jié)合，作為自適應(yīng)修正模型的輸入數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的健康參數(shù)預(yù)測。研究表明，與傳統(tǒng)單模態(tài)模型相比，深度MIF模型的平均故障診斷精度提高了22.4%；在針對(duì)民航運(yùn)營數(shù)據(jù)的測試中，MIF+DAC模型對(duì)于每個(gè)故障標(biāo)簽的預(yù)測準(zhǔn)確率都在97.59%以上，平均準(zhǔn)確率為98.8%。

2.3 虛實(shí)交互與迭代優(yōu)化

數(shù)字孿生的核心價(jià)值在于虛擬空間與物理實(shí)體的實(shí)時(shí)交互與持續(xù)迭代優(yōu)化。清華大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院開發(fā)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)沉浸式虛擬運(yùn)行系統(tǒng)，在信息融合與實(shí)時(shí)交互方面，研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力性能實(shí)時(shí)仿真、實(shí)時(shí)控制、參數(shù)化結(jié)構(gòu)建模與仿真、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享與多學(xué)科聯(lián)合仿真集成等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了模型實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬運(yùn)行功能。

西工大噴氣推進(jìn)理論與工程團(tuán)隊(duì)將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)載推力性能衰退的實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)展了包含推力等機(jī)載不可測量參數(shù)的虛擬傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)推力等參數(shù)的虛擬測試，并通過建立的基線模型，開發(fā)了機(jī)載性能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力等性能衰退的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警。針對(duì)溫度參數(shù)測量誤差較大的問題，團(tuán)隊(duì)提出了基于泰勒展開的全局補(bǔ)償和實(shí)時(shí)補(bǔ)償兩類方法，進(jìn)一步提高了整機(jī)數(shù)字孿生模型的精度，并針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)載排氣溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警開展了模型的驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了以排氣溫度為指標(biāo)的性能衰退和險(xiǎn)情預(yù)警。

2.4 全生命周期管理

數(shù)字孿生技術(shù)能夠支持航空發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期管理，從設(shè)計(jì)、制造到運(yùn)行維護(hù)的各個(gè)階段。在設(shè)計(jì)階段，數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及再設(shè)計(jì)方法能夠集成設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維等全生命周期各階段數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，為原型迭代設(shè)計(jì)及再設(shè)計(jì)優(yōu)化、設(shè)計(jì)方案評(píng)估和虛擬驗(yàn)證等提供數(shù)字孿生模型及數(shù)據(jù)，以優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程。

在制造階段，數(shù)字孿生技術(shù)能夠解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造過程中的工藝優(yōu)化、質(zhì)量控制、裝配管理等關(guān)鍵問題。中國航發(fā)集團(tuán)在某型發(fā)動(dòng)機(jī)制造中應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，顯著提升了制造過程的可控性和產(chǎn)品質(zhì)量。美國GE公司在其數(shù)字化工廠中應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)部件制造效率提升了25%，質(zhì)量一次合格率提高了15%。

在運(yùn)行維護(hù)階段，數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰退預(yù)測、故障診斷和預(yù)測性維護(hù)。南京航空航天大學(xué)的研究表明，通過建立在翼性能數(shù)字孿生模型，可以動(dòng)態(tài)跟蹤發(fā)動(dòng)機(jī)性能退化，為發(fā)動(dòng)機(jī)視情維修提供科學(xué)依據(jù)。

三、民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生技術(shù)典型應(yīng)用場景

3.1 設(shè)計(jì)研發(fā)階段

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)階段，數(shù)字孿生技術(shù)帶來了革命性的變革。傳統(tǒng)的"設(shè)計(jì)-試驗(yàn)驗(yàn)證-修改設(shè)計(jì)-再試驗(yàn)"反復(fù)迭代的研制模式正在被數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的虛擬驗(yàn)證所替代。根據(jù)陶飛等人的研究，數(shù)字孿生在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)階段有多種應(yīng)用方法：

數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及再設(shè)計(jì)方法：集成設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維等全生命周期各階段數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，為原型迭代設(shè)計(jì)及再設(shè)計(jì)優(yōu)化、設(shè)計(jì)方案評(píng)估和虛擬驗(yàn)證等提供數(shù)字孿生模型及數(shù)據(jù)，以優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字工程及"五協(xié)同"正向閉環(huán)研制方法：通過整合全生命周期內(nèi)各階段數(shù)據(jù)與模型，達(dá)到研制過程中多學(xué)科協(xié)同、局部整體協(xié)同、設(shè)計(jì)制造協(xié)同、虛實(shí)試驗(yàn)協(xié)同、多主體協(xié)同的"五協(xié)同"正向閉環(huán)研制模式。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)數(shù)字表征及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法：對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的大小、外形、重量等參數(shù)進(jìn)行虛擬仿真和優(yōu)化。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)數(shù)字表征及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法：基于數(shù)字孿生模型優(yōu)化風(fēng)扇、壓氣機(jī)、渦輪等零部件的氣動(dòng)性能，以滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)各部件系統(tǒng)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)要求。

清華大學(xué)開發(fā)的模型實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)沉浸式虛擬運(yùn)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科信息的融合與沉浸式表達(dá)，研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力性能實(shí)時(shí)仿真、實(shí)時(shí)控制、參數(shù)化結(jié)構(gòu)建模與仿真、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享與多學(xué)科聯(lián)合仿真集成等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了模型實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬運(yùn)行功能。相關(guān)技術(shù)和成果可用于協(xié)同設(shè)計(jì)、沉浸式評(píng)審、虛擬培訓(xùn)等場景，為未來實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生、虛實(shí)融合的數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐和參考。

3.2 制造過程優(yōu)化

航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，當(dāng)前面臨多方面的挑戰(zhàn)。首先，其制造工藝復(fù)雜度高，包含數(shù)萬個(gè)零部件，涉及精密鑄造、高速加工、特種焊接等多種先進(jìn)制造工藝，工藝參數(shù)優(yōu)化難度大，制造過程控制要求高。其次，作為航空器的"心臟"，航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)可靠性要求極高，關(guān)鍵零部件的制造精度要求高，質(zhì)量控制難度大，約80%的質(zhì)量問題源于制造過程控制不當(dāng)。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配涉及工序復(fù)雜，需精確控制零件配合關(guān)系，傳統(tǒng)裝配方法難以滿足高精度、高效率要求。

數(shù)字孿生技術(shù)為航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造提供了新的解決思路。針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造工藝復(fù)雜、質(zhì)量要求苛嚴(yán)和裝配精度高的問題，構(gòu)建虛擬映射模型，結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與智能仿真，實(shí)現(xiàn)全流程優(yōu)化。在工藝設(shè)計(jì)階段通過虛擬仿真優(yōu)化工藝，在制造過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)整，形成"虛擬建?！獙?shí)時(shí)映射—智能決策"閉環(huán)體系，解決工藝參數(shù)優(yōu)化難、控制精度高的問題。同時(shí)，將制造從"經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)"轉(zhuǎn)向"數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)"，實(shí)現(xiàn)制造精度動(dòng)態(tài)可控、質(zhì)量問題提前預(yù)警和工藝方案智能優(yōu)化。

在裝配環(huán)節(jié)，通過"精準(zhǔn)建?！獙?shí)時(shí)仿真—智能控制—全周期追溯"體系，突破傳統(tǒng)依賴人工經(jīng)驗(yàn)的局限，提供智能化解決方案。數(shù)字孿生技術(shù)能夠通過構(gòu)建裝配過程的虛擬映射，實(shí)時(shí)優(yōu)化裝配路徑，預(yù)測和防止裝配干涉，提高裝配質(zhì)量和效率。

3.3 測試驗(yàn)證平臺(tái)

數(shù)字孿生技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)測試驗(yàn)證方面也發(fā)揮著重要作用。湖南泰德航空技術(shù)有限公司開發(fā)的高低溫油源系統(tǒng)，作為一個(gè)集熱力學(xué)、流體力學(xué)與自動(dòng)控制于一體的復(fù)雜測試系統(tǒng)，采用了基于模型預(yù)測控制（MPC）的智能算法及數(shù)字孿生技術(shù)，顯著提高了復(fù)雜工況下的控制品質(zhì)。

高低溫油源系統(tǒng)包含三大核心模塊的協(xié)同：

熱力學(xué)循環(huán)系統(tǒng)：負(fù)責(zé)在寬溫域（如-70℃至200℃）內(nèi)精確調(diào)控油液溫度，通常采用多級(jí)壓縮制冷與PID電加熱復(fù)合控制方式，結(jié)合高效板換和低溫隔熱設(shè)計(jì)，以達(dá)成快速升降溫和溫度穩(wěn)定。

液壓動(dòng)力系統(tǒng)：提供穩(wěn)定且可動(dòng)態(tài)調(diào)整的油液輸出，通過變量液壓泵、電液伺服閥和壓力蓄能器實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)壓力與流量的高精度調(diào)節(jié)，模擬飛行中各種加速度和姿態(tài)對(duì)油液系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)影響。

智能測控系統(tǒng)：作為整個(gè)系統(tǒng)的"大腦"，集成多類傳感器、工業(yè)計(jì)算機(jī)及控制算法，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)閉環(huán)控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、故障診斷與測試報(bào)告生成。

這種基于數(shù)字孿生的測試系統(tǒng)，能夠在不進(jìn)行實(shí)際飛行試驗(yàn)的情況下，在虛擬環(huán)境中模擬各種極端工況，大幅降低試驗(yàn)成本和時(shí)間。

3.4 運(yùn)維服務(wù)與健康管理

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)維服務(wù)階段，數(shù)字孿生技術(shù)為實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)和健康狀態(tài)管理提供了技術(shù)基礎(chǔ)。南京航空航天大學(xué)李春華等人研究的在翼航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能數(shù)字孿生建模方法，通過基于QAR數(shù)據(jù)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能模型修正，構(gòu)建了能夠反映發(fā)動(dòng)機(jī)不同運(yùn)行工況下各站位參數(shù)及整機(jī)性能參數(shù)的高精度映射模型，特別是隨著在翼使用時(shí)間的累積，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能及各部件效率逐漸退化，性能數(shù)字孿生模型根據(jù)在翼監(jiān)測數(shù)據(jù)不斷修正性能模型，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的、高精度的性能參數(shù)映射。

西北工業(yè)大學(xué)噴氣推進(jìn)理論與工程團(tuán)隊(duì)將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)載推力性能衰退的實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)展了包含推力等機(jī)載不可測量參數(shù)的虛擬傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)推力等參數(shù)的虛擬測試，并通過建立的基線模型，開發(fā)了機(jī)載性能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力等性能衰退的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警。這種技術(shù)使航空公司能夠?qū)崟r(shí)了解發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰退情況，提前規(guī)劃維修計(jì)劃，避免因突發(fā)故障導(dǎo)致的航班延誤和取消。

四、航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展展望

4.1 當(dāng)前面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

盡管數(shù)字孿生技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，但目前仍面臨多方面的技術(shù)挑戰(zhàn)：

模型精度與復(fù)雜度的平衡：航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生需要高精度模型，但高精度模型往往意味著高計(jì)算復(fù)雜度，難以滿足實(shí)時(shí)性要求。如何在模型精度和計(jì)算效率之間取得平衡是一大挑戰(zhàn)。

多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合：航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生涉及氣動(dòng)、熱力、結(jié)構(gòu)、控制等多學(xué)科數(shù)據(jù)，以及設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維等多階段數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)具有不同的格式、精度和更新頻率，如何實(shí)現(xiàn)有效融合是一個(gè)亟待解決的問題。

不確定性建模：航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜多變，存在多種不確定性因素，如制造公差、材料性能分散性、環(huán)境變化等，如何在這些不確定性條件下保持?jǐn)?shù)字孿生模型的準(zhǔn)確性是一大挑戰(zhàn)。

實(shí)時(shí)性與可靠性：對(duì)于在翼航空發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障預(yù)警，數(shù)字孿生系統(tǒng)需要具備高度的實(shí)時(shí)性和可靠性，這對(duì)系統(tǒng)的計(jì)算能力和通信能力提出了極高要求。

標(biāo)準(zhǔn)與互操作性：目前數(shù)字孿生技術(shù)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，不同廠商開發(fā)的數(shù)字孿生系統(tǒng)之間難以實(shí)現(xiàn)互操作和數(shù)據(jù)共享，限制了技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

4.2 未來發(fā)展方向與趨勢

面對(duì)上述挑戰(zhàn)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生技術(shù)未來發(fā)展呈現(xiàn)出多個(gè)明顯趨勢：

智能化與自主決策：隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生系統(tǒng)將具備更強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)和決策能力。西北工業(yè)大學(xué)噴氣推進(jìn)理論與工程團(tuán)隊(duì)提出的物理知識(shí)融入智能網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字孿生建模方法，代表了這一方向的重要探索。未來的數(shù)字孿生系統(tǒng)將能夠自主識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，智能預(yù)測故障，并給出優(yōu)化運(yùn)行和維護(hù)的建議。

全生命周期管理深化：數(shù)字孿生技術(shù)將進(jìn)一步深化在航空發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)、制造到運(yùn)行、維護(hù)、報(bào)廢的全過程數(shù)字化管理。北京航空航天大學(xué)提出的數(shù)字孿生五維模型為這一方向提供了理論基礎(chǔ)。

跨領(lǐng)域融合應(yīng)用：數(shù)字孿生技術(shù)將與云計(jì)算、邊緣計(jì)算、5G通信、區(qū)塊鏈等技術(shù)深度融合，形成更加完善的技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)。例如，利用邊緣計(jì)算提高數(shù)字孿生系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，利用區(qū)塊鏈技術(shù)保證數(shù)據(jù)的安全性和可信度。

標(biāo)準(zhǔn)化與開放性：隨著技術(shù)的成熟，數(shù)字孿生技術(shù)將逐步形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，提高不同系統(tǒng)之間的互操作性。中國航發(fā)集團(tuán)等企業(yè)正在積極推進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。

平民化與低成本化：隨著技術(shù)的發(fā)展和成本的降低，數(shù)字孿生技術(shù)將從高端裝備制造向普通工業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)展，湖南泰德航空技術(shù)有限公司在測試設(shè)備數(shù)字化方面的實(shí)踐就是這一趨勢的體現(xiàn)。

五、民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生技術(shù)必然趨勢

數(shù)字孿生技術(shù)作為第四次工業(yè)革命的核心技術(shù)之一，正在深刻改變航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)、制造、測試和運(yùn)維模式。通過構(gòu)建物理實(shí)體與虛擬模型之間的交互映射，數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期的精準(zhǔn)管控和優(yōu)化，為解決傳統(tǒng)研制模式中的周期長、耗資大、風(fēng)險(xiǎn)高等問題提供了有效途徑。

隨著建模與仿真技術(shù)、多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)、虛實(shí)交互技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用將越來越深入，從單部件到整機(jī)，從單一物理場到多物理場耦合，從單一階段到全生命周期不斷擴(kuò)展。未來，隨著人工智能、邊緣計(jì)算、5G通信等技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)將更加智能化、實(shí)時(shí)化和普及化，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展提供更強(qiáng)動(dòng)力。

湖南泰德航空技術(shù)有限公司在數(shù)字化方面的實(shí)踐表明，數(shù)字化轉(zhuǎn)型不僅是大型航空制造企業(yè)的必然選擇，也是配套企業(yè)提升競爭力的重要途徑。通過積極應(yīng)用數(shù)字孿生等數(shù)字化技術(shù)，企業(yè)能夠提升產(chǎn)品研發(fā)效率和質(zhì)量，降低研發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)，從而在激烈的市場競爭中脫穎而出。

隨著我國《"十四五"國家信息化規(guī)劃》等系列文件的落實(shí)，數(shù)字孿生技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用將迎來更加廣闊的發(fā)展空間。產(chǎn)學(xué)研各界的共同努力下，我國民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)從跟跑到并跑再到領(lǐng)跑的跨越，為我國的航空事業(yè)發(fā)展提供有力支撐。

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湖南泰德航空技術(shù)有限公司于2012年成立，多年來持續(xù)學(xué)習(xí)與創(chuàng)新，成長為行業(yè)內(nèi)有影響力的高新技術(shù)企業(yè)。公司聚焦高品質(zhì)航空航天流體控制元件及系統(tǒng)研發(fā)，深度布局航空航天、船舶兵器、低空經(jīng)濟(jì)等高科技領(lǐng)域，在航空航天燃/滑油泵、閥元件、流體控制系統(tǒng)及航空測試設(shè)備的研發(fā)上投入大量精力持續(xù)研發(fā)，為提升公司整體競爭力提供堅(jiān)實(shí)支撐。

公司總部位于長沙市雨花區(qū)同升街道匯金路877號(hào)，株洲市天元區(qū)動(dòng)力谷作為現(xiàn)代化生產(chǎn)基地，構(gòu)建起集研發(fā)、生產(chǎn)、檢測、測試于一體的全鏈條產(chǎn)業(yè)體系。經(jīng)過十余年穩(wěn)步發(fā)展，成功實(shí)現(xiàn)從貿(mào)易和航空非標(biāo)測試設(shè)備研制邁向航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、無人機(jī)、靶機(jī)、eVTOL等飛行器燃油、潤滑、冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)新研發(fā)轉(zhuǎn)型，不斷提升技術(shù)實(shí)力。

公司已通過 GB/T 19001-2016/ISO 9001:2015質(zhì)量管理體系認(rèn)證，以嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)保障產(chǎn)品質(zhì)量。公司注重知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)和利用，積極申請(qǐng)發(fā)明專利、實(shí)用新型專利和軟著，目前累計(jì)獲得的知識(shí)產(chǎn)權(quán)已經(jīng)有10多項(xiàng)。泰德航空以客戶需求為導(dǎo)向，積極拓展核心業(yè)務(wù)，與中國航發(fā)、中航工業(yè)、中國航天科工、中科院、國防科技大學(xué)、中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心等國內(nèi)頂尖科研單位達(dá)成深度戰(zhàn)略合作，整合優(yōu)勢資源，攻克多項(xiàng)技術(shù)難題，為進(jìn)一步的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

湖南泰德航空始終堅(jiān)持創(chuàng)新，建立健全供應(yīng)鏈和銷售服務(wù)體系、堅(jiān)持質(zhì)量管理的目標(biāo)，不斷提高自身核心競爭優(yōu)勢，為客戶提供更經(jīng)濟(jì)、更高效的飛行器動(dòng)力、潤滑、冷卻系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等解決方案。