一种数字样机及其构建方法与流程

本发明涉及航空机电数智化，具体而言，涉及一种数字样机及其构建方法。

背景技术：

1、航空机电是高附加值的高新技术产业，是技术创新和技术发明的重要领域，其专业面广，科技含量高、附加值大，易于向其他领域拓展。目前我国各类飞行器的机电系统/产品设计工作已广泛采用基于模型的设计方法，通过性能设计、三维结构设计，利用仿真手段进行先期验证，在系统/产品总装测试之前完成基本状态摸底。但是，设计过程中仍存在诸多问题，制约了研制效率和设计水平的提升，具体表现在：

2、1）航空机电系统/产品属于多专业耦合的复杂系统，专业化分工大大提升了设计效率，但也随之带来了多专业之间协同设计难题，结构、热流、机械、电子和控制等多学科模型协同处理难以通过单一设计独立解决，设计信息共享与协调存在天然的壁垒，设计不确定性和复杂管理问题突出，设计过程迭代周期长，仿真准确度不足。

3、2）传统的设计过程和软件平台无法直观的将产品结构、产品模型及其附属的详细设计信息有效的关联，面向复杂机电系统设计，不利于贯彻性的设计更改和运行状态直观反馈。

4、3）机电产品在设计早期往往通过系统仿真进行先期验证，以判断各部件之间的性能干涉，但由于仿真精度、加工工艺等干扰因素，实际元部件的性能特征与传统仿真结果存在偏差，大量元部件叠加误差会使系统性能偏离设计要求，造成性能不足或过设计现象。

5、4）机电产品往往需要大量极端条件的原理验证，如高温、高原、高湿和电磁环境等，验证成本高，费用周期长。同时，机电产品由于机械结构和可靠性限制，无法布置足够的传感器进行状态信息监测。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述技术存在的不足，为解决多专业之间协同设计难、效率低，仿真准确度不足，试验成本高和状态信息监测困难等问题，本发明提供了一种数字样机及其构建方法。

2、第一方面，本发明提供了一种数字样机，包括：状态信息菜单模块，状态信息菜单模块用于选择航空机电系统的运行状态、输入飞机飞行参数、显示航空机电系统的运行信息；运行状态可视化模块，运行状态可视化模块用于配置航空机电系统三维结构的数学模型，通过动画形式的运行状态表征不同运行指令下航空机电系统的运行特征；系统性能实时仿真模块，系统性能实时仿真模块用于在与物理样机同一时间尺度下，实时运行所需的航空机电系统的性能模型，输出一维性能特征；三维详细设计模块，三维详细设计模块用于各核心部件的有限元仿真，输出三维性能特征；三维模型轻量化模块，三维模型轻量化模块用于实现部件有限元模型的轻量化，即基于有限元仿真数据训练获得可支持实时仿真的数据模型，并基于运行数据进行定期更新，输出三维性能特征；数据实时采集模块，数据实时采集模块与传感器、控制器和执行机构之间通过数据接口进行连接，用于将采集的模拟量转化为数字样机可进行处理的数字量；模型库，模型库提供进行仿真的模型环境，并存储可离线更新的仿真模型，模型库用于更新数字样机；数据库，数据库存储有可离线更新的物理样机运行数据，数据库用于更新数字样机。所述数据库还可存储数字样机的运行数据。

3、在一些实施例中，运行状态可视化模块与状态信息菜单模块建立数据通讯，运行状态可视化模块根据状态信息菜单模块下发的状态模式标识数据刷新显示航空机电系统的运行状态。

4、在一些实施例中，系统性能实时仿真模块与状态信息菜单模块建立数据通讯，系统性能实时仿真模块根据状态信息菜单模块下发的状态模式标识数据开展模型计算，并将模型计算的结果回传到状态信息菜单模块中进行显示。

5、在一些实施例中，三维详细设计模块与系统性能实时仿真模块建立数据通讯，三维详细设计模块从系统性能实时仿真模块提取输入特征进行有限元计算，三维详细设计模块为轻量化模块提供仿真数据。

6、在一些实施例中，三维轻量化模块与系统性能实时仿真模块建立数据通讯，三维轻量化模块从系统性能实时仿真模块提取输入特征进行模型轻量化计算，并将模型计算的结果回传到状态信息菜单模块中进行显示。

7、第二方面，本发明还提供了一种如第一方面数字样机的构建方法，包括以下步骤：s1，通过模型库中的三维建模仿真环境建立航空机电系统的运行状态示意图，并将运行状态示意图导入运行状态可视化模块；s2，通过模型库中的数值计算仿真环境对航空机电系统的功能、性能进行仿真和全局优化，建立稳态性能模型和实时仿真模型，并将稳态性能模型和实时仿真模型导入系统性能实时仿真模块；s3，通过模型库中的有限元仿真环境对航空机电系统的核心部件进行仿真设计，建立三维详细设计模型，并将三维详细设计模型导入三维详细设计模块；s4，将核心部件的三维仿真设计结果和性能试验结果作为训练样本，利用机器学习方法建立轻量化运维模型，并将其导入三维模型轻量化模块；s5，建立数字样机配套的模型库模型接口和数据库数据接口建立物理样机与数字样机的数据接口。

8、在一些实施例中，步骤s1包括：s11，根据飞机平台的运行场景，基于模型的系统工程方法，分解航空机电系统的运行模式和工作状态，进一步分解得到各部件的工作状态；s12：通过仿真环境建立航空机电系统原理阶段的三维数模，将核心部件进行分类着色，利用爆炸视图功能和运动功能对系统爆炸组成和运动功能进行建模；s13：针对不同的运行模式，采用移动贴图和粒子效果建立不同温度的气流流动、点火、燃烧和发电效果，形成运行状态示意图，并将运行状态示意图导入运行状态可视化模块。

9、在一些实施例中，步骤s2包括：s21：基于物质守恒、能量守恒和动量守恒方程，通过仿真环境建立航空机电系统一维稳态性能模型；s22：采用基于粒子群的全局优化算法，提取航空机电系统的控制变量，设计粒子群代数、粒子选用范围、粒子更新规则以及指标与约束的目标函数，离线进行各运行状态的全局优化；s23：在获取优化的控制目标后，以飞行状态和负载需求为输入，优化后的控制目标为输出，利用泛化的神经网络算法建立飞行状态和负载与控制目标的对应关系，得到控制目标的在线选取规则；s24：建立含控制器和控制对象的系统动态仿真模型，进行动态控制验证，将系统动态仿真模型进行实时化处理，按真实时间的固有频率进行系统动态仿真得到实时仿真模型，将稳态性能模型和实时仿真模型导入系统性能实时仿真模块。

10、在一些实施例中，步骤s4包括：s41：从核心部件的仿真设计结果以及性能试验结果选取不小于300组相对均匀的样本，提取样本的特征数据，采用高斯回归的机器学习方法，将核心部件的输入输出特性建立神经网络映射关系，得到轻量化运维模型。

11、在一些实施例中，步骤s5包括：s51：建立模型库与数字样机之间的模型接口，模型库与数字样机之间通过模型接口互通，具有离线各类模型的功能；s52：建立数据库与数字样机之间的数据接口，数据库与数字样机之间通过数据接口互通，具有离线上传更新和下载各类数据的功能；s53：数字样机通过数据实时采集模块与物理样机之间建立数据交互接口，实时采集物理样机的状态信息。

12、本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

13、1、本发明的数字样机及其构建方法打通多专业联合设计之间的信息壁垒，使模型贯通，设计协同，便于系统设计和应用过程中各方的协调配合，使设计信息快速有效的传递，缩短设计和迭代周期。

14、2、本发明的数字样机及其构建方法可以在产品或系统交付时，同步为主机所提供一种可根据元部件状态信息实时更新的数字样机，提升产品数字化交付能力，支持协同仿真与验证，便于产品状态信息的管控。

15、3、本发明的数字样机及其构建方法可以在产品机上运行或机下维护时提供有效的数据支撑，即利用数字样机实时反馈和显示产品在机上的运行状态，监控部件和组件状态，积累运行数据，为状态监测和健康管理提供数据支持。

16、4、本发明的数字样机及其构建方法利用真实机电产品可监测的物理信息，结合数据模型实时反馈产品难以布置传感器部位的状态信息，实现机电产品的全方位状态监控，为部件故障监测、寿命预测等提供理论依据。

17、5、本发明交付的数字样机可以进行虚拟数字化试验，降低验证周期和验证成本。利用数字样机实时状态反馈功能，在无需额外布置传感器的情况下，监控部件和组件的状态，积累运行数据，为状态监测和健康管理提供数据支持。

18、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。