无损检测助推民用航空动力——记中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司无损检测年度进展

2020年对于中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司(简称中国航发商发制造)无损检测团队是非凡而又难忘的一年,面对疫情的严峻考验,团队努力战胜各种风险挑战,脚踏实地,不断完善自身能力,高质量高效率地推进航空发动机自主研发建设。

国内外智能制造的发展及对我国商用航空发动机发展的启示

多个国家在全球范围内部署了智能制造发展战略,建设航空发动机智能工厂是《中国制造2025》重点支持的方向。通过介绍国外商用航空发动机公司智能制造发展现状,探讨我国建设商用航空发动机智能工厂的关键问题,明确发展行业智能制造标准化工具,促进产品智能化改造,实现生产组织数字化、网络化、智能化是实现商用航空发动机智能制造的关键技术手段。

商用航空发动机制造企业CCAR-145部体系建设

商用大涵道比涡扇航空发动机的维修是航空制造业产业链的重要一环。国内商用航空发动机制造企业在国产发动机型号尚未交付之前,应建设符合CCAR-145部相关要求的维修体系,承接其他商用航空发动机的维修业务,探索从设计、生产、维修的完整路径,帮助企业在航空制造业产业链上尽早形成从设计到维修的完整闭环。

民用航空发动机试验过程数字化管控

民用航空发动机试验是产品研制的核心环节,涉及试验任务管理、试验工艺、现场管理、数据报告管理等众多环节,采用数字化技术进行精益改善意义重大。通过构建数字化试验过程管控模式,逐步实现了计划任务的数字化流转、试验现场的无纸化作业、试验进程的可视化呈现等,确保管理者可实时掌握试验现场状态,实现试验过程透明化管控;将安全检查工序应用在现场过程管控,保障了试验过程现场安全受控;通过设计更改贯彻要求准确落实,显著提高了试验验证效率、准确度和试验成功率,节省了运营成本。

基于运营数据的发动机压气机叶片裂纹扩展规律研究

为研究航空发动机实际服役中转子叶片在复杂载荷作用下的裂纹损伤扩展规律,基于航空发动机运营数据构建叶片的裂纹扩展寿命曲线,同时采用断裂力学理论建立裂纹扩展速率公式。以高压压气机叶片为实例,通过流固耦合方法构建压气机叶片结构的载荷模型,分别采用Paris、Walker、Newman裂纹扩展速率公式对压气机叶尖区域进行三维裂纹扩展分析。仿真结果表明,三种裂纹扩展速率公式在裂纹扩展前期预测结果与发动机运营数据裂纹扩展曲线具有一致性,可较好地描述叶片裂纹扩展规律;在裂纹稳定扩展阶段,Walker和Newman公式预测结果相对危险,Paris公式预测结果吻合度较高,并且能与厂家技术手册中关于其损伤发展控制要求相互印证。

商用航空发动机数字化装配工艺设计系统

基于模型的定义技术在航空发动机结构设计中应用广泛。针对商用航空发动机装配工艺设计工具应用问题,以产品数据模型为核心,提出基于Team Center&Cortona3D集成的设计思路。打通产品装配工艺设计业务链,构建基于模型的数字化装配工艺设计环境,自上而下实现基于模型的装配工艺任务规划、基于模型的装配工艺/工装设计与仿真验证,实现面向装配制造的工艺设计,从而提高商用航空发动机装配工艺设计效率和质量,缩短产品研制周期。

商用航空发动机生产管控的数字孪生模式探索

针对商用航空发动机研制时间周期长、复杂程度高的特点,面向型号研制阶段需求,及规模化批量生产转型的潜在需求,以知识可重用、适航规范质量管理为基础,研究基于数字孪生的生产管控模式,从生产管控的质量、设备、计划、物流等环节,明确物理与信息系统映射模型框架,通过物理环节与信息系统的连接和交互,为型号研制提供更加实时、高效的服务,为规模化批量生产构建生产管理、现场组织技术架构。

面向工业互联网的商用航空发动机数字化工厂探索与建设

智能制造是我国制造业转型升级的战略计划,商用航空发动机生产制造过程由于其涉及了零部件种类繁多、加工工艺复杂且精度要求高,需要通过工业互联网,实现研制、生产、售后服务全过程闭环运行,建成数字化工厂,以确保数据获取的连续性和准确性,实现产品按质量交付,并保证发动机产品的安全、持续运营。

航空发动机加工现场生产制造网络化协同系统

随着智能工厂、智能制造、工业4.0等概念不断成熟,国家对航空发动机的数字化生产能力,智能化生产水平,生产过程管控能力的提高越来越重视,为解决航空发动机加工现场存在的物料管理手段缺乏、物料无法拉动、生产要素采集少、可视化手段少等问题,首先对航空发动机加工现场生产制造网络化协同系统的业务、架构、系统需求进行分析总结,并以此为基础,提出了一套面向航空发动机加工现场生产制造过程的网络化协同系统解决方案,通过对生产过程关键要素数据的采集、追踪、分析和处理,形成了物料拉动配送系统、生产要素采集系统、可视化看板系统3个系统,实现物料线边拉动优化、数据展示端业务报表优化、生产关键要素信息采集、制造端数据集成等内容。

高压水射流技术及其在民用航空发动机制造中的应用

航空工业是一个国家工业实力的重要体现,随着经济的快速发展,我国的民用航空发展迅猛,对于航空发动机的需求逐年增加。航空发动机是飞机的心脏,其工艺复杂、制造的难度较大,从而给航空发动机的加工制造带来了不小的难度。高压水射流加工技术是近些年发展起来的一种新型的加工技术,其主要利用高压水完成对于零部件的加工、切割、强化与去毛刺等。文章在分析高压水射流加工技术原理及特点的基础上对其在民用航空发动机加工中的应用进行了分析阐述。

大型商用航空发动机科研装配线三维虚拟设计

为解决航空发动机科研装配线二维工艺布置设计存在的局限性,首先通过对大型商用航空发动机科研装配线的实体工艺要素三维建模,基于虚拟现实Unity3D开发平台,对已有二维工艺布置方案进行三维虚拟设计,实现了工艺要素的补充、细化和优化。然后对新型的总装工艺过程进行了运动学仿真,并开发了人机交互的实时动态漫游程序。研究成果为后期车间改造、工艺布置调整提供了预演和模拟分析平台,为企业的人员培训和宣传展示提供了重要素材,也为相关的制造厂房或制造单元设计提供了技术参考和借鉴。

商用航空发动机燃油喷嘴雾化锥角测试技术研究

燃油喷嘴雾化锥角是商用航空发动机燃油喷嘴研制过程中的重要参数。为了解决人工识别喷雾锥角边界的测试方法中存在的主观性和系统性误差,采用了基于雾滴散射光强分布的喷雾锥角测试方法,开发了锥角测试系统及图像处理软件,校验了测试精度,试验验证了测试技术的可行性。结果表明该技术具备自动识别锥角功能、测试精度高、实用性较强。

脚踏实地保科研,创新驱动共发展——商发制造持续推进民用航空发动机无损检测建设

2021年,中国航发商发制造理化计量中心无损检测团队已护大至14位成员,既有3位行业资深专家,又有三分之二朝气蓬勃的90后成员(成员合影见图1)。这一年,团队脚踏实地,完善无损检测质量体系并扩大能力建设;成功举:办航空航天NAS410/EN4179无损检测资质培训班;与南昌航空大学共建科研创新平台;开展多个航空发动机无损检测专项技术研究。

航空发动机涡轮叶片原位集成高温MEMS传感器的研制

为了满足智能高性能航空发动机高温、高振动、高冲击的苛刻工作要求,采用MEMS(Micro-elect ro-mechanical-syst em,微机电系统)薄膜技术制作了发动机涡轮叶片原位集成高温温度传感器,并进行了高温下的温度试验和振动冲击试验。试验结果表明:热电阻传感器温度的线性良好,可以实现在高温环境下的温度控制;叶片原位温度传感器及其连线系统可以在规定的苛刻的振动与冲击试验指标下安全、可靠地工作,振动与冲击之后连接特性没有变化。将该原位集成传感器应用在涡轮叶片表面,不仅可以原位测量800℃的环境温度,而且具有很高的机械强度,可以承受40g的振动和100g的冲力。

商用航空发动机批产试车数字化检验系统展望

在航空发动机的研制、制造及大修维护等过程中,均需开展发动机试车,其主要目的是检验其性能及可靠性。当前,在商用航空发动机的研制工作中,针对科研试验过程的数字化技术应用已呈蓬勃之势,但对于批产试车,目前虽有零星探索,但总体仍为空白。基于此,本文展望商用航空发动机批产试车数字化检验系统,以期可以在未来能够有效提升航空发动机试车检验水平,为航空发动机智能制造战略的落实提供助力。

基于ResNet的航空发动机制件表面缺陷分类研究

针对现有航空发动机制件缺陷分类所存在的检测效率低、适用范围有限等缺陷,提出了一种基于ResNet-18算法的缺陷分类方法。该算法使用深度残差网络提取缺陷特征,并通过修改网络结构适应于不同的缺陷种类。在实验过程中,首先对原始的钢带表面图像进行预处理,使用裁剪、旋转角度等方法扩增数据集。然后使用PyTorch深度学习框架搭建卷积神经网络模型,并将增强后的图片数据输入到模型中进行训练,实现对缺陷的分类。最后,使用东北大学钢带表面缺陷公共数据集进行训练与评估。本文算法在东北大学钢带表面缺陷公共训练集上的分类准确率为97.33%,在测试集上的准确率达到95.36%,为真实工业场景下缺陷的分类提供了可能。

航空发动机试车半物理仿真中的故障模拟技术研究

为提高航空发动机研发过程中试车人员的故障处理能力,设计可视化的试车半物理仿真系统,对空气起动系统、燃油系统、发动机系统进行故障模拟。建立故障数学模型、现象数学模型和故障排除方法相结合的故障处理模型,实现故障的设置、现象和处理过程仿真,根据系统响应时间和精度对故障排除操作进行关键性能指标评价。仿真结果表明,该系统可实现航空发动机试车故障过程的可视化,能够直观反映故障现象和处理过程。

航空发动机碳纤维复合材料风扇叶片叶尖间隙测量研究

动叶片的叶尖间隙参数直接决定航空发动机的工作效率和运行安全,随着发动机朝着质量更轻、运转效率更高的方向发展,碳纤维复合材料(CFRP)被广泛应用于大涵道比航空发动机风扇叶片的设计,然而材料导电性会影响间隙测量结果。提出了一种基于电容法的CFRP叶片叶尖间隙测量方法;利用显微观察和元素分析,获取了CFRP叶片导电性规律,建立了仅碳纤维层参与构成电容器极板的叶尖间隙测量模型;开展了金属叶片和CFRP叶片叶尖间隙测量的仿真和实验,结果表明,两种叶片在不同间隙值下的电容输出呈比例关系,CFRP叶片的叶尖间隙测量精度优于45μm;完成了某型大涵道比航空发动机的测量试验,验证了航空发动机CFRP风扇叶片叶尖间隙测量方法的可行性和可靠性。

航空发动机高压转子关键装配参数仿真分析

航空发动机高压转子由高压压气机(HPC)转子和高压涡轮(HPT)转子组成,而同心度指标是高压转子最为关键的装配参数,直接影响整机振动水平,但检测技术手段落后,表现为测量误差大、稳定性差。开发基于HPC/HPT转子实测数据和实际安装相位的高压转子同心度快速仿真计算程序,使用某型发动机高压转子关键装配参数数据样本的仿真测试,实现对高压转子同心度的高精度预测;研发HPC/HPT转子安装相位优化技术,通过装配试车数据样本仿真测试和试验验证,相比现有的相位匹配方法,实现了更小的同心度预期值。本研究为高压转子装配仿真预测和现场工艺决策提供模型支撑,促进整机装配技术的模型化发展和数字化应用。

航空发动机总装脉动线单模块集成仿真分析

航空发动机总装脉动线具有主体设备技术复杂、建设和运维成本高等特点,单工位模块是总装脉动线的基本组成单元,承担着航发产品总装时的脉动运输、夹持固定、部件对接和配套件安装等任务,因此在工艺流程规划、设备运动控制等方面存在较大难度,脉动线单模块的集成仿真可以验证单模块结构与机构设计、工作流程设计和运动控制设计方案,对于模块开发具有重要意义。提出基于数字孪生模型和实际控制信号的人在回路的单模块集成仿真方案,并据此研发了完全知识产权的国产仿真软件和集成仿真平台,完成了某型航发脉动总装工艺的评估。结果表明,所研发平台能够用于多种脉动总装工艺评估,并可支持人在回路的方案验证和操作培训。