本发明专利技术公开了一种具有性能不确定性模拟能力的航空发动机部件级模型建立方法。该方法包括以下步骤：步骤1)，根据航空发动机各部件基准特性，基于气动热力学原理和平衡关系，建立发动机基准部件级模型；步骤2)，基于发动机各部件出厂时个体差异的随机分布统计特征对各部件基准特性进行修正；步骤3)，基于发动机各部件使用过程中性能退化的平均水平和随机分布统计特征对各部件基准特性进行进一步修正。本发明专利技术结合统计学特征和航空发动机原理，建立了能模拟生产和使用过程中性能不确定性的部件级模型，提高了模型的逼真度，能更好地满足航空发动机自适应控制和智能控制等算法的设计和验证需求。的设计和验证需求。的设计和验证需求。
【技术实现步骤摘要】
一种具有性能不确定性模拟能力的航空发动机部件级模型建立方法
[0001]本专利技术涉及的是一种具有性能不确定性模拟能力的航空发动机部件级模型建立方法，具体为一种具有航空发动机出厂性能个体差异和使用过程性能退化不确定性模拟能力的部件级模型建立方法，属于航空发动机建模与仿真领域。
技术介绍
[0002]航空发动机是一个十分复杂的气动热力学系统，其研制周期长、耗资大、风险高。对航空发动机进行数学建模，用数字仿真来代替部分实物试验，可以大幅度提高发动机研发效率、节约研制成本。此外，航空发动机的数学建模与仿真更是其控制器分析和设计的基础，是发动机性能预报与故障诊断的前提，对航空发动机控制系统的设计和验证有重要意义。
[0003]航空发动机部件级建模遵循发动机工作原理，具有较高的精度，且可以实现全包线范围内的模拟，在发动机研制过程中广泛应用。当前的航空发动机部件级模型建模方法是，基于某型航空发动机的设计点参数和部件特性，根据发动机工作原理和转子动力学模型，建立航空发动机部件级模型。此方法所建立的模型，是针对一个型号的，即同一型号的所有发动机共用一个模型，然而实际的生产和使用过程中存在许多的不确定因素，使得即使同一型号的发动机也总会有一定的误差。基于基准特性的确定性模型无法描述这种真实存在的不确定性情况，进而可能影响发动机控制系统的控制效果。另一方面，在航空发动机控制器研究中，为了验证控制算法的鲁棒性或自适应能力，常常需要将模型拉偏，但由于当前的部件级模型缺乏性能不确定性模拟能力，一般是人为手动进行拉偏，这相对于实际情况而言不够合理。
[0004]随着航空发动机的不断发展，设计体系不断进步。当前国内外针对不确定性分析已经开展了一系列研究，也提出了建设航空发动机不确定性设计体系的展望。航空发动机向不确定性设计体系发展的趋势，对发动机数学模型提出了不确定性建模的需求。公开号为的CN 108828947 B的专利技术专利提出了一种航空发动机含时滞的不确定性模糊动态模型建模方法，但该方法中不确定性模型使用的是状态空间模型，不能体现航空发动机的工作原理和特性；且该方法基于模糊理论，无法很好地描述性能随机不确定性。公开号为的CN 115099165 B的专利技术专利在建立一种考虑性能退化的航空发动机模型时，构建了随机修正模块，但并未考虑出厂性能个体差异的随机性；且其随机分布特征并非来源于实际的统计数据或资料，不够贴合实际。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的在于针对现有的航空发动机数学模型无法描述发动机实际生产和使用中性能随机不确定性的不足，提供一种具有性能不确定性模拟能力的航空发动机部件级模型建立方法，能够在反映航空发动机工作原理和特性的前提下，描述发动机加工装配
和使用过程中性能参数的不确定性，从而提高航空发动机部件级模型逼真度，适应航空发动机不确定性设计体系发展趋势，更好地满足先进的航空发动机控制算法设计和验证需求。
[0006]本专利技术具体使用以下技术方案实现上述目的：
[0007]一种具有性能不确定性模拟能力的航空发动机部件级模型建立方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1)，根据航空发动机各部件基准特性，基于气动热力学原理和平衡关系，建立发动机基准部件级模型；
[0009]步骤2)，基于发动机各部件出厂时个体差异的随机分布统计特征对各部件基准特性进行修正；
[0010]步骤3)，基于发动机各部件使用过程中性能退化的平均水平和随机分布统计特征对各部件基准特性进行进一步修正。
[0011]其中，所述步骤2)中基准特性修正的具体步骤如下：
[0012]步骤2.1)，确定出厂性能个体差异的随机分布统计特征：若可以获得某型航空发动机的生产加工或出厂性能测试数据，则直接进行数据处理和统计分析，获得个体差异的随机分布特征；若无法获得生产相关原始数据，则开展如下分析：
[0013]航空发动机生产制造阶段零件加工和整机装配的误差导致了发动机出厂性能个体差异，对于正常的机械加工和装配过程，性能个体差异的随机分布特征接近正态分布，因此，针对无法获得原始生产数据的航空发动机，合理假设其性能参数服从正态分布，数学关系式描述为：
[0014][0015]式中：X为某性能参数的实际值，为一批产品中该性能参数的均值，σ为这批产品中该性能参数的方差，y表示该性能参数的值为X的产品出现的概率；
[0016]步骤2.2)，选取受影响的性能参数，实际的航空发动机系统相比数学模型要复杂得多，部件级模型目前还无法面面俱到地反映实际航空发动机所有特性，考虑航空发动机工作原理，结合部件级模型关键参数，选定受影响的性能参数为：
[0017]a)压缩部件、涡轮部件的流量和效率；
[0018]b)燃烧室总压恢复系数和燃烧效率；
[0019]c)喷管总压恢复系数和喉道面积；
[0020]d)转子机械传动效率；
[0021]e)部件连接处的总压恢复系数；
[0022]步骤2.3)，对各部件基准特性进行修正，针对每一个受影响的性能参数，以所述步骤1)中发动机基准部件级模型的各部件特性为基准，根据相应的分布特征分别进行随机采样，基于采样结果获得发动机出厂性能参数，对第i个性能参数，其统计概率分布服从ρ
i
，则一次计算中该性能参数的出厂值为：
[0023]y
i
＝y
0i
·
X
i
[0024]式中，y
0i
为第i个性能参数的基准值，随机采样结果X
i
～ρ
i
；
[0025]采样结果落在
±
3σ外的数据认为质检不合格，将强制截断在
±
3σ处。
[0026]其中，所述步骤3)中基准特性进一步修正的具体步骤如下：
[0027]步骤3.1)，确定使用过程性能退化的平均水平和随机分布统计特征：航空发动机的长时间使用导致了部件性能的退化，若可以获得某型航空发动机的历史运行或检修数据，则直接进行数据处理和统计分析，获得性能退化的平均水平和随机分布特征；若无法获得发动机使用过程相关数据，则开展如下分析：
[0028]航空发动机的研究、设计和使用已有相当长的历史，各科研单位积累形成了各自的数据库，一些公开发表的资料中也对有限型号发动机的部件性能退化进行了分析，基于所有可得的资料，选择型号或性能指标相近的发动机的历史数据，获得性能退化平均水平；此外，统计数据表明，发动机性能参数衰退呈正态分布；因此，针对无法获得历史运行或检修数据的航空发动机，合理假设其性能退化以从资料获得的统计结果为平均水平，服从正态分布；
[0029]步骤3.2)，选取受影响的性能参数，发动机部件退化与部件效率和流量的变化量密切相关，选定受影响的性能参数为：压缩部件、涡轮部件的流量和效率；
[0030]步骤3.3)，对各部件基准特性进行进一步修正，针对每一个受影响的性能参数，以性能退化平均水平对应的本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种具有性能不确定性模拟能力的航空发动机部件级模型建立方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1)，根据航空发动机各部件基准特性，基于气动热力学原理和平衡关系，建立发动机基准部件级模型；步骤2)，基于发动机各部件出厂时个体差异的随机分布统计特征对各部件基准特性进行修正；步骤3)，基于发动机各部件使用过程中性能退化的平均水平和随机分布统计特征对各部件基准特性进行进一步修正。2.根据权利要求1所述的一种具有性能不确定性模拟能力的航空发动机部件级模型建立方法，其特征在于：所述步骤2)中基准特性修正的具体步骤如下：步骤2.1)，确定出厂性能个体差异的随机分布统计特征：若可以获得某型航空发动机的生产加工或出厂性能测试数据，则直接进行数据处理和统计分析，获得个体差异的随机分布特征；若无法获得生产相关原始数据，则开展如下分析：航空发动机生产制造阶段零件加工和整机装配的误差导致了发动机出厂性能个体差异，对于正常的机械加工和装配过程，性能个体差异的随机分布特征接近正态分布，因此，针对无法获得原始生产数据的航空发动机，合理假设其性能参数服从正态分布，数学关系式描述为：式中：X为某性能参数的实际值，为一批产品中该性能参数的均值，σ为这批产品中该性能参数的方差，y表示该性能参数的值为X的产品出现的概率；步骤2.2)，选取受影响的性能参数，实际的航空发动机系统相比数学模型要复杂得多，部件级模型目前还无法面面俱到地反映实际航空发动机所有特性，考虑航空发动机工作原理，结合部件级模型关键参数，选定受影响的性能参数为：a)压缩部件、涡轮部件的流量和效率；b)燃烧室总压恢复系数和燃烧效率；c)喷管总压恢复系数和喉道面积；d)转子机械传动效率；e)部件连接处的总压恢复系数；步骤2.3)，对各部件基准特性进行修正，针对每一个受影响的性能参数，以所述步骤1)中发动机基准部件级模型的各部件特性为基准，根据相应的分布特征分别进行随机采样，基于采样结果获得发动机出厂性能参数，对第i个性能参数，其统计概率分布服从ρ
i
，则一次计算中该性能参数的出厂值为：y
i
＝y
0i
·
X
i
式中，y
0i<...
【专利技术属性】
技术研发人员：向航标，张天宏，黄向华，盛汉霖，刘乔，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。