【据MTU网站2024年5月报道】未来MTU将使用数字孪生技术虚拟映射发动机整个寿命周期——从研发到飞行。虚拟发动机是物理发动机的虚拟形式。由基于数字孪生的产品设计、制造、使用及产品整个寿命周期的数字线程组成。创建和评估虚拟发动机需要特殊的技术、工具、流程和数据。

飞机发动机是一种高科技产品。在早期，工程师会花大量时间画图来设计这些复杂的部件。计算机的出现大大简化了这个过程，但它的创新远远不止这些：“虚拟技术特别适用于不同学科综合研发，”位于慕尼黑的MTU航空发动机研发部门数字转型负责人 Wawrzinek博士说：“这样协调不同产品各种需求更简单一些。”MTU目前主要焦点就是开发未来发动机如第二代齿轮传动涡扇发动机（GTF），MTU正在与普惠公司合作，将其应用于军事领域新一代的战斗机发动机。

• 基于数字孪生的产品设计：基于数字孪生的产品设计是根据从分析和设计中收集的数据描述产品的几何特征和产品特性。
• 基于数字孪生的产品制造：基于数字孪生的产品制造描述了真实产品的几何特征和产品特性，包括制造和装配过程中产生的所有偏差。
• 基于数字孪生的产品使用：基于数字孪生的产品使用映射了运行过程中产品几何特征和产品特性，描述了运行磨损和损坏所导致的各种情况。
• 数字线程：数字线程描述了产品整个寿命周期的数据流。

应用于未来发动机研究的数字孪生技术

一段时间以来，MTU推进单元工程师一直在研究虚拟发动机，这是由一系列的数字孪生所组成。“数字孪生不是静态模型，研发过程中它提供特定阶段的发生情况。更确切地说，它是虚拟仿真指定产品随时间所发生的变化。”MTU虚拟发动机总工程师Engber博士说。数字孪生技术可以让开发人员模拟若干场景，最终得出产品研发、制造、运行和维护各个阶段的结果。

首先开始的是基于数字孪生的产品设计，它将描述理想产品应该是什么样子的。通常用于计划真实产品的制造和装配。通过收集物理产品数据，工程师可以创建一个基于数字孪生的产品制造。这将意味着基于数字孪生的产品制造将不是基于数字孪生的产品设计的精确复制，它有自己的特点，因为它包含了制造和装配过程中发生的所有偏差。

利用这两个数字孪生就可以分析他们之间的不同了。因此工程师不仅可以确定成品是否满足严格的质量和效率要求，还可以确定是否能保证制造和维护成本更低。下一个步骤就是对基于数字孪生的产品制造进行飞行前所需要的验收试验和内部验证。所有飞行过程中可能发生的磨损和损伤都将进一步呈现出来，作为数字孪生产品使用阶段的情况记录。

描述每台发动机在整个寿命周期内的演变意味着每台发动机都以一个虚拟发动机和一个相应的数字线程的形式存在，它记录了发动机所有的数据流。“每个发动机都有自己的演变轨迹，随着时间推移，它将逐渐偏离原来的基于数字孪生的产品设计。”Engber说。所有这些偏差和所有相关数据的总和，最终会让专家们推导出产品未来将会如何发展的结论。接下来，他们可以预测出发动机什么时候需要维修和检测，以及什么时候发动机该更换零件或退役。

这种预测建立在大量数据基础之上，而评估它需要综合模型。Engber清楚这是非常困难的，因为为了能够随时访问相关数据，我们必须协调这些用于分析、设计、生产和飞行的不同数据系统。这个数字线程至关重要，它是连接每个阶段和学科的所有数据总和。

Wawrzinek认为成功实现未来目标的三个重要因素为：收集、提供和处理数据的高水平自动化；公司内部跨学科的高度融合性；最重要的是人工智能，其可以使预测和分析更加准确。目前发动机研发的人工智能应用程序倾向于采用一些方法，例如结构力学，用于评估一个部件的自然振动。但人们希望AI将可以逐渐开始提供更广泛的观点，并有可能分析和优化复杂的发动机。

通过虚拟技术来定制发动机

MTU第一个“灯塔（Lighthouse)”项目之一是压气机叶片数字孪生。Engber说：“空气动力学和结构力学有一种对立的关系，因此需要根据具体情况进行分析，空气动力学关注的是边缘特别薄和锋利的叶片，而结构力学关注的是较厚、过渡圆滑的坚固部件。”

Engber说：“这就是为什么将空气动力学和结构力学作为压气机叶片设计的关键因素。中期，MTU想通过这种方法提高产品设计效率和质量，并降低成本。我们很快就可以自动优化所有目标变量并开发每种用途的相应产品。关于拉力的优化包括一些技术要求，如效率和重量，以及制造和维护成本。当然，该产品必须足够坚固。”

“目前MTU的主要精力仍放在基于数字孪生的设计阶段，换句话说，在工程的研发过程和技术部门之间的数据透明度。中期焦点将转向生产和运营，即基于数字孪生的制造阶段和使用阶段。我们想描绘一幅整体数字线程的地图，从开发到生产和运营，再到退役。”2024年年初，MTU组建了专家团队，组织各技术部门合作，推动虚拟发动机项目发展。

MTU得到了研究部门的大力支持。有德国航空航天中心（DLR）的燃气轮机测试和模拟研究所，其在推广创新技术之前，首先在实验室进行开发和试验。

Wawrzinek说：“像研发、制造和维护这些端对端数字应用对许多公司来说都具有很重要的意义，但不同的学科和领域也给专家们提出了挑战，这将要求他们重新思考。我们必须让员工意识到数字化方法的潜在意义，要加强他们数字化思维方式和数据驱动理念。总之我们需要携手开始这个数字之旅。虚拟产品的出现是复杂的，其包含了无数个小步骤，但是每一步都让我们离成功更进一步。”