舰载机数字孪生体建模技术综述

赵维 金晓桥 孟繁巍

（92728部队，上海 200436）

0.引言

数字孪生是指充分利用物理模型、传感器技术、运行数据等，集成多学科、多尺度的仿真模型，作为虚拟空间中对实体产品的镜像，反映对应物理实体产品的全寿命周期活动。目前国外已开始数字孪生技术的工程化研究。本文研究分析舰载机数字孪生体建模涉及的关键技术[1-2]。

1.军事需求分析

舰载机具有精密复杂、安全风险高、结构损伤检测不方便等特征，舰载机需在高温高盐高湿的沿海、岛礁机场和航母甲板长期驻扎，阻拦着舰时机体需要承担巨大纵向过载，因此结构腐蚀和损伤情况高发，这些损伤是严重的安全隐患，导致舰载机的安全性和寿命普遍低于陆基飞机，急需寻找手段来满足舰载机结构健康监测与安全性分析等工作的需要。数字孪生概念是由美军空军研究实验室提出用于解决军用飞机的结构监控等需求的方案，可在舰载机结构监控领域发挥重要作用[3]。

2.国内外研究现状

2.1 国外研究现状

美国空军研究实验室于2011年提出数字孪生体概念，用于计算飞行中飞机的结构和温度变化，分析局部损伤和材料状态的演变；2012年该实验室提出了“机身数字孪生体”，用于设计和维护数字机身，为每架飞机各自建模并作为一个虚拟健康传感器，预测每架飞机未来维护需求，以期改善飞机全寿命周期中的管理方式[4]。随着工业4.0等概念的提出，波音公司、西门子、洛克希德•马丁公司、通用电气等世界级知名制造商，均致力于数字孪生体技术的研究和应用工作，并在部分项目中得到实际应用[2]。

2.2 国内研究现状

国内目前开展数字孪生技术的研究已比较多，尤其是对基于数字孪生的集成制造技术的研究非常多，如北京卫星制造厂张玉良等提出的面向航天器在轨装配的数字孪生技术，成飞公司陈振等提出基于数字孪生管控飞机装配车间，刘亚威提出的数字孪生技术助力航空生产、北航于勇等提出的数字孪生体在飞机构型管理中的应用、陶飞等提出的数字孪生车间等，但目前主要以理论研究为主，研究应用的深度仍较有限[5-9]。

3.数字孪生体建模关键技术分析

3.1 超现实多物理量个性化建模技术

超现实多物理量个性化建模是开展舰载机数字孪生体建模的基础，需要为舰载机建立个性化的整机和部件的超现实几何模型，包括每架舰载机在材料微观结构、缺陷、制造异常等的细微差别；同时建立热量传输模型、动力学模型、应力分析模型和疲劳模型等，各个模型需要高度耦合在一起[5]。

3.2 结构件多尺度损伤建模技术

损伤的分布和类型取决于材料和制造工艺，需要将物理模型整合到结构有限元分析中，建立损伤时间变化率与应力时间变化率的联合模型，比如小时间尺度疲劳裂纹扩展模型；同时损伤不仅限于疲劳裂纹，还包括蠕变、微动和磨损、复合材料中的分层和微裂纹、热机械疲劳、腐蚀和氧化以及面板屈曲等，必须探索各种损伤机制之间协同作用，最终建立各种损伤的多尺度物理模型[5]。

3.3 舰载机结构与健康综合监测技术

对舰载机结构与健康进行综合监测与数据采集是构建数字孪生体的关键步骤，用于收集舰载机正常条件和不利条件下飞行的各类数据，实现对受损结构损伤的诊断和预测，确保能持续安全运行。其前提是要为舰载机研制满足要求的传感器系统，比如为拦阻钩、起落架、纵梁等关键结构安装损伤检测传感器，以采集足够的建模和分析数据。

3.4 不确定性建模和校模技术

由于数字孪生体的真实性不可能做到与对应的实装舰载机状况完全一致，随着时间的推移，数字孪生体中的不确定性会累积到不可接受的水平，需通过必要手段进行控制。目前动态贝叶斯网络是一种比较好的模型校准方法，利用动态贝叶斯网络跟踪时变变量的演化，并对时变变量进行标定；也可利用动态贝叶斯网络预测未来裂纹扩展的概率[5]。

3.5 连续飞行载荷模拟技术

数字孪生体的运行需要对飞行的连续时间历程进行模拟，目前国外已提出的思路是通过耦合飞行动力学模型和气动弹性解算器解决该问题，并正在使用F/A-18的飞行试验数据进行验证工作，该方法能更好地表示飞机上的载荷，产生的高保真载荷有利于飞机设计和跟踪疲劳损伤的发展。

3.6 超大型共享数据库操作技术

在文献[4]中，估算每个数字孪生体虚拟飞行1小时输出大约1PB（1024TB）的材料、结构及损伤数据，目前的存储设备发展水平很难满足如此海量数据的存储需求，需要解决数据的分布式快速处理、共享存储、超高速网络通讯等问题。

3.7 海量数据分析计算技术

经初步估算，将1个小时1PB虚拟飞行数据中的1%进行可视化，按照目前10MB/s的处理速度，需要35个工作日，其计算能力需求已远远超过目前主流图形工作站的性能，需要在数学方法、算法及其工程实现等方面不断创新，解决耦合偏微分方程、量化不确定性、设计和优化结构、处理大量有噪声的数据等技术难题，最终突破高分辨率结构分析计算技术。

4.发展建议

（1）数字孪生涉及理论复杂，应加大其基础理论研究支持工作，引导相关科研人员加大理论研究力度和深度。

（2）深化军事需求和应用研究，研究数字孪生仿真技术在舰载机结构监控、全寿命周期管理等方面的应用模式，为研究工作提供牵引和指导。

（3）支持新型传感器研制工作，实现该关键零部件的自主可控，满足功能性能和安装形式定制等需求。

（4）应结合飞机型号研制任务，适时开展关键技术的原理验证工作，最终具备开展系统性演示验证甚至工程化实现的能力。

5.结论

本文介绍了数字孪生的基本概念、军事需求、国内外发展现状和国内外主要差距，较系统地分析了实现舰载机数字孪生体建模涉及的关键技术，提出了发展建议，可为科研人员研究数字孪生技术提供参考和指导。