数字孪生驱动发动机换气系统优化

航空重油活塞发动机在中小型功率级别的通用航空飞行器和无人机中具有广阔的应用前景。顶置气门二冲程航空重油活塞发动机作为新型活塞发动机的一种，具有润滑油消耗少、可与四冲程发动机共享制造工艺等优点，近年来成为了国内外航空发动机团队的重点研发对象。然而，新型顶置气门结构给航空重油活塞发动机换气系统的设计、制造和性能优化等方面带来了诸多新的挑战。一方面，顶置气门换气结构的传动机构因引入多个新部件（如气门、摇臂等）而变得非常复杂，这些新部件的设计、制造与装配需同时满足航空发动机轻量化和高安全性的要求，系统结构装配后的传动与密封性能往往不尽如人意，相关制造和工艺过程急需合理规划，并进行数据实时地记录与反馈、制造工艺方案的迭代优化，尽可能地实现智能制造。另一方面，顶置气门换气结构新引入了多个不确定的系统参数，使气门正时的参数自由度变大，因而增加了多目标性能优化的难度。目前国外对于该系统参数的多目标优化大多依赖反复试验，耗费大量时间和成本，或者建立发动机虚拟性能仿真模型，但因缺乏实时试验数据的反馈与修正，性能模型的准确性有待提高。因此，针对顶置气门二冲程航空重油活塞发动机换气系统的设计、制造和性能，探索快速有效的优化方法极具挑战。

在工业4.0和智能制造的背景下，数字孪生技术以数字化的方式建立物理实体的多维动态虚拟模型来仿真真实环境中的属性、行为和性能等。数字孪生模型的实时迭代优化属性为航空重油活塞发动机换气系统的开发提供了新的技术途径。基于真实世界和虚拟世界的信息物理深度融合特性及迭代优化协同机制，发动机换气系统设计、制造和性能的快速有效优化将得以实现。

图1 航空重油活塞发动机换气系统优化的数字孪生模块

本文提出了数字孪生驱动的顶置气门航空重油活塞发动机换气系统制造与性能优化方法，在数字孪生五维模型的基础上，为覆盖系统优化的多方面和全过程，建立了物理实体的结构、材料、工艺、行为、性能和环境六个孪生模块，如图1所示。基于这六个孪生模块，具体的优化方法如图2所示。在虚拟空间，含有行为和环境孪生模块的虚拟发动机模型得以建立，进一步地，基于DoE迭代优化和机构动力学验证的虚拟性能优化得以顺利进行，从而为虚拟制造仿真提供最佳性能参数。在虚拟制造仿真中，虚拟几何建模、虚拟制造工艺和虚拟装配过程得以逐一实现。在真实物理空间，系统制造装配和性能测试过程皆在虚拟空间对应孪生模块的指导下进行，真实制造测量和性能测试相关数据被实时地在数字孪生服务系统中记录与分析，并实时地反馈至对应的虚拟孪生模块中。因此，接收实时数据的孪生模块能够不断地进行实时自我更新与优化。在该方法的引领下，基于孪生模块的仿真结果与实际的制造装配和性能误差很小，虚拟模型能够代替真实过程执行多目标多方位优化，从而显著提升顶置气门二冲程航空重油活塞发动机换气系统的优化水平，减少实物试制试装和反复试验次数，降低研发成本，缩短研制周期。本文提出的方法具有普适性，可在其他复杂系统优化中推广应用，对推动智能制造、数字孪生、系统优化等技术的发展皆有重大意义。 

图2 数字孪生驱动的航空重油活塞发动机换气系统优化方法