航空发动机电气控制半实物虚拟仿真平台开发.pdfVIP

航空发动机电气控制半实物虚拟仿真平

台开发

摘要：半实物虚拟仿真起源于20世纪80年代，其能够减小系统的研究周期

以及研究的成本，并且接近于系统的实际状态，受到了研究人员广泛重视。半实

物虚拟仿真技术与计算机技术、网络技术有着紧密联系，随着计算机技术和网络

技术的不断进步，可以在计算机上实现更为复杂的实验系统，因此半实物虚拟仿

真技术也取得了长足发展。另外，由于其结果可信度高、实现成本低，在通信理

论与技术的研究与教学活动中也发挥着重要作用。

关键词：航空发动机；电气控制；半实物虚拟仿真

引言

目前我国在研、批产的先进航空发动机普遍提高了推重比,机匣、短轴等高

温合金、钛合金复杂构件的尺寸大幅增加,壁厚进一步减薄,在加工过程中普遍存

在严重的加工变形和裂纹现象,这些构件结构复杂、材料切削性能差,数控加工工

艺复杂,数控编程效率低。航空发动机制造企业主要采用多轴设备对构件进行加

工,加工过程存在切削力波动变化大、切削温度高、刀具磨损快等突出问题,降低

了加工效率,增加了航空发动机的制造周期和制造成本。

1.航空发动机三维模型构建分析

为了能够提高航空发动机三维模型构建效果，必须保证各项参数准确性，所

以需要做好前期准备工作，采用适合试验研究的相关软件。本次三维模型构建采

用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ软件，是基于Ｗｉｎｄｏｗｓ系统的三维ＣＡＤ软件，

功能丰富完备，内部组件较多，平面草图与ＣＡＤ草图的绘制过程基本相同，能

够有效提高三维模型构建效率。本次三维模型构建主要为航空发动机内部构件模

型，包括压气机构件模型、转子构件模型以及风扇构件模型等，需要确保每个构

件与实物构建相同。将构建模型建造完成后利用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ软件组件

对其进行拼装，从而实现三维模型的建设目的。以航空发动机的叶片构件为例，

在涡轮式发动机中，叶片为压气机和涡轮实现功能转换的核心部件，虽然叶片体

积较小，但是其模型构建较为困难，叶片的主要结构包括机身和榫头，且叶片构

件截面具有一定弯曲，截面形状受到位置和叶片高度的直接影响，随着叶片高度

改变而变化。在叶片工作状态下，叶片通过榫头能够固定在航空发动机内部。在

航空发动机叶片造型确定环节中，为了便于三维模型构建，采用将叶片划分为叶

身和榫头两个部分，对不同部分分别进行模型构建，之后根据其实际尺寸进行拼

装。叶身结构虽然看似较为简单，但实际上模型构建极为复杂，因为叶身包括多

个连续扭转曲面，且叶片具有自身剖切面重心处于同一条直线的特征，所以在模

型构建时需要采用垂直于重心线的６个剖切面对叶身进行剖切，从而能够得到投

影成为封闭二维曲线的剖切平面，通过采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ软件的平移、

翻转等功能，形成叶身框架的三维模型。

2.设计思路

由于飞机在飞行过程中各部分的运行是具有一定关联性的，例如：飞行速度、

空速、风速、飞行高度的变化等与发动机各部分运行具有一定关联，利用数据之

间的关联性将使得算法在学习过程中更好地提取到数据特征，从而在很大程度上

提高预测的精度，所以在本项目中主要体现为使用风速、飞行高度、发动机转速，

飞行速度等数据作为训练数据，对发动机增压比（EPR）进行预测。具体设计思

路为：使用某型飞机发动机从启动到停车过程中各项数据的记录以及发动机之外

的其他数据的记录作为训练数据导入LSTM神经网络进行训练。包括飞行速度、

发动机转速、空速等共计23项数据，完成训练后，对发动机增压比（EPR）等多

项发动机指标进行预测，最后将预测值与实际值对比以检验该模型的准确性并对

该模型做出评价。

3.平台设计

按照绘制完成的电路图，对元件进行对比，考虑元件的正负特性，在软件中

进行模拟，从而得到最终硬件平台。在硬件平台构建完成后，对硬件和软件进行

连接调试，将虚拟机与实验箱保持同步运行，航空发动机虚拟动态速度需要与试

验箱保持一致，此时航空发动机的高低压转子与面板数值变化保持相同，从而能

够实现对航空发动机电气控制的半实物仿真模拟。将设计完成的半实物虚拟仿真

平台应用于ＣＦＭ５６⁃５系列发动机电气控制试验，控制方式为：控制器对发动

机直流电机控制器和步进电机控制器进行控制，直流电机控制器对左发动机和右

发动机进行控制；步进电机控制器对ＳＶＡ１、ＦＭＶ１、ＳＡＶ２以及ＦＶＭ

２进行控制。

4.项目建设特点

(1)遵循“能实不虚、虚实结合”的原则,具有航空零件加工一揽子加工方案,

丰富了工程实训教