基于T-MATS模块的航空发动机仿真建模

Internal Combustion Engine&Parts0引言航空发动机被誉为“现代工业皇冠上的皇冠”，是一个国家工业基础和科技水平的集中体现，其研制需要投入大量的时间和资金，而航空发动机模型则能有效缩短其研制周期、降低成本和风险，对于发动机性能分析和控制系统研发等起着重要作用。

目前，国内工程应用较多的航空发动机性能仿真模型主要是GasTurb[1]商用软件，其缺点在于代码封闭，用户无法根据需求修改程序，也不易兼容控制系统设计等多学科任务。

而NASA公开源代码的T-MATS[2]模块，可视化用户可以对其进行任意修改，使用灵活方便，且基于MATLAB/Simulink平台使得模块的应用方式和范围更广，有利于开展多学科耦合设计。

本文以涡轴发动机为对象，利用T-MATS模块建立其动态仿真模型，并开展仿真验证。

1基于T-MATS模块的涡轴发动机建模1.1T-MATS模块简介T-MATS（Toolbox for Modeling and Analysis of Thermodynamic Systems，热力系统建模和分析工具箱）模块是由NASA Glen研究中心2014年公开的一款内嵌于MATLAB/Simulink的热力学系统仿真库，包含涡轮机械模型、传感器模型、数值求解器和控制器模型等实用的仿真模块，能够方便地建立复杂的热力学系统模型以用于仿真和控制等研究。

对于发动机复杂的热力学过程，T-MATS 依据发动机的工作原理以及常用的经验公式，利用C语言编写部件的热力学计算流程，并使用Simulink的系统函数（S-Function）将其封装为Simulink模块，在利用Simulink面向对象的特性来提高模块通用性的基础上，也充分保证了模块的计算效率和计算精度。

1.2输入数据处理T-MATS工具箱提供了封装好的发动机基本部件模型，使用时只需要按照发动机的实际工作情况将模型依次连接就可以建立其基本的仿真模型，因此此处对模型的输入数据进行说明，特别是发动机的部件特性。

航空发动机自主研制的加速器虚拟仿真技术资料什么是虚拟仿真?虚拟仿真旨在提供一个强有力的数字建模与仿真环境，使产品的规划、设计、制造、装配、试验、维护等均可以通过计算机实现，为产品全生命周期的各个阶段提供支持，帮助企业能够在设计阶段就对产品制造的全过程进行虚拟集成，预测、评价产品性能和制造可行性，达到产品开发周期与成本最小化、产品设计质量最优化以及生产效率最大化。

虚拟现实技术的发展与融入，为数字化仿真补充完善了人机工程学分析、沉浸式交互操作等关键技术;物联网、云计算、高性能计算机的发展，为虚拟样机可行性、可信度分析验证和远程异地协同提供了有力支撑。

为什么航空领域对虚拟仿真如此关注?先看个例子波音777整机设计、部件测试、整机装配以及各种适航标准环境下的试飞，均得益于虚拟仿真相关技术的应用，其开发周期从过去的8年缩短到5年，波音787进一步实现了全球协同虚拟制造。

更重要的是，虚拟制造极大地促进了波音公司飞机设计能力的提升。

·虚拟样机替代物理样机，使设计方案修改更加便捷、灵活。

·在产品研制过程中，虚拟样机实现了整机规模的评审、跨系统干涉检查，改变了传统的交流模式，提高了不同学科、不同部门、不同供应商之间的协同设计、评审的效率。

·变“后实物验证”为“先虚拟体验”，避免将设计缺陷带入后续研制阶段，大大减少反复更改活动，使设计一次成功成为现实，有效地降低了成本、缩短了研制周期。

虚拟仿真为航空发动机研制加速我们来看看航空发动机研制的周期和成本问题：01、客观周期长每一代发动机都要一步一个脚印，走过论证、设计、仿真、样机、定型、批产、使用、维护等多个阶段，这是航空发动机产品自主研制的客观规律。

02、过程反复多产品设计中的许多装配、性能问题往往要到样机制作才能暴露出来。

传统模式下，人们被迫通过物理样机的反复试制来优化设计方案，每一次“反复”消耗的都是“真材实料”，不仅面临时间和成本的严峻考验，还给设计方案的最优化带来了重重阻力。

数字化、自动化、智能化装配技术是提升航空发动机的装配质量和效率的必然手段，建立航空发动机数字化装配仿真流程架构模型，对数字化装配的关键技术进行分析，可以为实现航空发动机数字化智能装配提供支持。

航空发动机装配包括部件装配、总装装配等环节。

相关研究表明，装配成本占航空发动机总成本的40%，装配工作占整机生产的50%以上，装配工艺及装配操作执行过程对航空发动机性能有着至关重要的影响。

为保证航空发动机正常运行，首先，机匣、盘、轴、叶片以及喷嘴等零组件必须具有精密的配合和连接状态，高度的同心和同轴度，良好的转子平衡性和平稳性；其次，空气、燃油和滑油系统须具有良好的密封和清洁性；同时要求各附件和管线具有抗振、防磨以及绝缘等性能。

随着航空发动机推重比、可靠性等各项技术性能指标的提升，研发难度显著增大，传统装配技术已经难以满足航空发动机研发模式变革要求，面临的难题主要有：装配工艺设计及验证依靠技术人员经验和现场物理试装，须反复迭代更改，生产周期长；人工手动装配，装配精度可控性较差，效率提升缓慢；装配过程受人为因素影响较大，执行操作可靠性及装配质量稳定性不足，易出现错装、漏装的现象。

数字化智能装配技术能显著提高产品装配效率和质量，一直受到欧美等发达国家的高度重视。

飞机装配经历了从人工装配、半机械/半自动化装配，到自动化/数字化装配的发展，为了进一步提高飞机装配效率及质量，数字化智能装配技术已成为发展的必然趋势。

结合航空工业的发展历程，为有效解决航空发动机数字化智能装配难题，提升航空发动机装配技术水平，数字化装配工艺设计、装配工艺仿真、装配性能仿真等正成为航空发动机数字化智能装配的研究热点和发展趋势。

因此，针对上述问题，笔者研究了航空发动机数字化装配工艺设计与仿真的流程架构模型，并提出了关键技术研究内容及解决途径。

数字化装配工艺设计与仿真的流程架构数字化装配工艺设计与仿真是依据产品物料清单（EBOM）、工艺物料清单（PBOM）、工装和设备等数据构建装配物料清单（ABOM），基于产品三维模型建立轻量化工艺模型，通过装配顺序、装配路径规划开展详细装配工艺设计，并经过虚拟装配仿真形成三维可视化装配工艺规程等结构化工艺流程及数据，从而满足生产现场装配执行过程的数字化管控、可视化指导等要求，其基本工作流程如图1所示。

收稿日期：2023-06-15基金项目：航空动力基础研究项目资助作者简介：董威（1970），男，教授。

引用格式：董威，尹家录，郑培英，等.航空发动机及燃气轮机整机性能仿真综述[J].航空发动机，2023，49（5）：8-21.DONG Wei ，YIN Jialu ，ZHENG Peiying ，et al.Review:engine-level performance simulation of aeroengine and gas turbines[J].Aeroengine ，2023，49（5）：8-21.航空发动机Aeroengine航空发动机及燃气轮机整机性能仿真综述董威1，尹家录2，郑培英2，程显达1（1.上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240；2.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）摘要：整机总体性能仿真是航空发动机及燃气轮机仿真的重要组成部分，在航空发动机及燃气轮机的设计制造和使用全寿命周期内发挥着重要作用。

综合70多年来航空发动机及燃气轮机总体性能仿真的发展成果，梳理了各时期总体性能仿真的发展历程。

从基本方法、模型精细化、求解算法和修正方法等角度，分析了国内外以部件级模型为代表的基于物理机理的总体性能仿真方法研究现状；探讨了以人工神经网络、支持向量机和深度学习为代表的人工智能算法在总体性能仿真中的应用现状；介绍了机载模型、机理-数据混合模型和多维度模型基本方法和主要成果。

基于目前的研究成果和技术发展趋势，认为航空发动机及燃气轮机总体性能仿真应向物理机理模型更精细化、人工智能技术更深入和应用模型构建更为规范化的方向发展。

关键词：航空发动机；燃气轮机；总体性能；仿真；物理机理模型；人工智能；应用模型中图分类号：V231.1文献标识码：Adoi ：10.13477/ki.aeroengine.2023.05.002Review:Engine-level Performance Simulation of Aeroengine and Gas TurbinesDONG Wei 1，YIN Jia-lu 2，ZHENG Pei-ying 2，CHENG Xian-da 1（1.School of Mechanical Engineering ，Shanghai Jiao Tong University ，Shanghai 200240，China;2.AECC Shenyang Engine Research Institute ，Shenyang 110015，China ）Abstract ：Engine-level performance simulation is an integral aspect of aeroengine and gas turbine simulation,and plays a crucial role throughout the entire life cycle of design,manufacturing,and operation.This paper presents a comprehensive analysis of the development process of aeroengine and gas turbine performance simulation in each historical stage,building upon the accomplishments made over thepast 70years.The research status of physical mechanism performance simulation,primarily represented by the component-level model,was examined from various perspectives including basic methods,model refinement,solution algorithms,and correction methods.Further⁃more,the application of artificial intelligence algorithms,such as the artificial neural network,support vector machines,and deep learning,in engine-level performance simulation,was discussed.The paper also provided an overview of the fundamental methods and key achieve⁃ments of on-board models,mechanism-data hybrid models,and multi-dimensional models.Finally,based on current research findings andtechnological development trends,it is believed that the engine-level performance simulation of aircraft engines and gas turbines should de⁃velop towards a more refined physical mechanism model,deeper artificial intelligence technology,and more standardized application model construction.Key words ：aeroengine ；gas turbine ；engine-level performance ；simulation ；physical mechanism model ；artificial intelligence ；applica⁃tion model第49卷第5期2023年10月Vol.49No.5Oct.20230引言随着仿真技术的进步，航空发动机及燃气轮机的设计正逐渐从“试验设计”向“预测设计”转变。

汇报人：2023-12-01•引言•航空发动机基础理论•数值仿真方法•航空发动机数值仿真模型•数值仿真结果分析•结论与展望•参考文献目录引言研究目的和背景目的提高航空发动机的性能、可靠性和耐久性，降低维护成本，缩短研发周期。

背景航空发动机是一种复杂的热力机械系统，涉及高温、高压、高转速等极端条件下的流体动力学、热力学、材料力学等多学科领域。

研究现状和发展趋势研究现状数值仿真技术已成为航空发动机设计的重要手段，通过建立数学模型、利用计算机软件进行分析和优化。

发展趋势随着计算能力的提升，数值仿真技术将更加精细、准确，涵盖更多物理效应和影响因素，为发动机设计提供更全面的指导。

航空发动机基础理论航空发动机工作原理压缩过程涡轮膨胀空气经过压气机进行压缩，提高其压力和温度。

高温高压气体经过涡轮膨胀，驱动涡轮旋转。

吸入空气燃烧室尾喷管航空发动机通过涡轮风扇或压气机将空气吸入。

燃料与压缩后的空气混合并点燃，产生高温高压气体。

燃气在尾喷管中继续膨胀，以高速排出，产生推力。

压气机用于压缩吸入的空气。

燃烧室燃料与空气混合并点燃。

涡轮驱动转子旋转，消耗燃气中的能量。

尾喷管将燃气以高速排出。

推力航空发动机产生的力，通常用牛顿表示。

马力航空发动机产生的功率，通常用马力表示。

比油耗单位重量的燃料产生的推力，通常用克/牛顿表示。

涡轮进口温度燃烧后涡轮前的温度，通常用摄氏度表示。

数值仿真方法有限元法定义有限元法是一种将连续的求解域离散化为有限个单元体的数值方法。

应用范围广泛应用于结构力学、热传导、流体动力学等领域。

特点能够处理复杂形状和边界条件，对多物理场耦合问题有较好的适应性。

有限差分法是一种用差分近似代替微分的方法，将连续的求解域离散化为网格。

定义主要用于解决偏微分方程和积分方程。

应用范围简单直观，易于编程实现，适用于解决规则的问题。

特点定义有限体积法是一种将连续的求解域离散化为有限个控制体积的方法。

应用范围广泛应用于流体动力学、传热学等领域。

基于Matlab 的发动机配气凸轮机构的动力学建模与仿真引言汽车发动机配气机构的任务是保证气门在规定时刻开启或关闭, 开启或关闭应该动作迅速。

随着凸轮轴转速的提高, 构件的弹性变形和惯性力对机构的运动和动力特性会产生较大的影响,致使气门的实际位移、速度、加速度与名义位移、速度、加速度之间, 尤其是实际加速度与名义加速度之间出现明显的差异,故应对其进行弹性动力学分析, 将整个配气机构看作一个弹性系统, 研究气门的实际输出随凸轮轴输入的动态响应, 可以为配气凸轮廓线的运动/动力学综合提供理论依据。

配气机构的动力学模型建立一般情况下将凸轮机构简化为双自由度动力学模型进行分析, 就可获得工程上比较满意的近似结果, 但在高速运转的情况下, 往往需要将其简化为更加精确的多自由度动力学模型, 以便使分析结果更接近于凸轮机构运行时的真实情况。

随着自由度数的增多, 计算工作量会大大增加, 因此在建立动力学模型时,应该抓住主要的而忽略次要的影响因素, 对相关参数进行合理取舍和简化。

如图1( a) 所示, 是一个发动机配气凸轮机构系统,它由凸轮轴、挺柱、转臂、气门杆等多个组成环节。

假设凸轮轴具有较大的刚度, 不考虑其振动, 并按集中质量进行等效, 将其动力学模型等效为三自由度系统[1], 如图1( b) 所示, 其中m1为A 点的等效集中质量, m2为B点的等效集中质量, m3为C点的等效集中质量; k1为凸轮与推杆接触表面的接触刚度, k2为挺柱AB 的拉伸刚度, k3为转臂BC的弯曲刚度, k4为等效弹簧刚度; h凸轮作用于从动件的理论位移。

系统中各元件的等效质量和等效刚度可由材料力学中知识求得, 由拉格郎日定理得：化简整理得：Matlab/Simulink 下的仿真过程式( 2) 为三自由度系统的非线性微分方程组, 通常要采用有限差分法等数值计算的方法进行求解, 编程复杂、费时, 而且不直观, 为此本文借助Matlab/Simulink 系统仿真软件来实现[3], 考虑到数学模型中运动规律h=h( t) 的计算为分段的函数, 就采用m函数来建立仿真过程, 可以进行复杂的计算和判断。