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未来美国宇航局和美国空军飞行器的数字孪生模型
NASA和美国空军未来的飞行器将需要更轻的质量在较长时间内承受更高的负荷和更极端的使用条件现在的一代。目前认证、车队管理和维护的方法主要基于材料特性的统计分布、启发式设计哲学、物理测试和假设的测试和操作条件之间的相似性，将可能无法解决这些极端的需求。为了解决传统方法的缺点，需要根本性的范式转变。这一模式的转变，数字孪生，集成了超高逼真度仿真与车辆的车载综合车辆健康管理系统，维修历史和所有可用的历史和车队数据，以反映其飞行孪生的生命，使前所未有的安全和可靠性水平。
1.介绍
现有的车辆认证、车队管理和维护方法很多基于相似和对操作和异常影响的启发式理解关于车辆结构健康、安全和性能的条件。一个共同的相似和启发法的表现形式是在过程中使用的“安全因素”设计和认证。所谓的安全因素植根于一个启发式的遗产，其中一个例如，1.5或2.0的因子“总是”足以解释一类特定的未知的未知(例如，负载、材料属性)。通常，这些因素的历史和谱系是不确定的。此外，混合的安全因素是普遍的，可能导致不必要的沉重结构和性能下降，而不一定改善的实际安全或者任务成功的概率。即使是目前的概率或可靠性方法都是不充分的，因为它们是建立在假定的相似的基础上，即在获得基本统计数据的情况下和在获得基本统计数据的环境下车辆运营。当相似度被破坏时，概率方法和基于安全因素的方法一样容易分解。虽然统计评估很重要，但它们必须是与每一辆车相关的整体最佳物理方法的一部分。在当今的工程过程中，相似是如此的普遍，以至于人们常常看不到它调用它的工程师。在工程设计和分析中可以找到一个普遍存在的例子使用计算机代码(包括商用有限元代码)“预测”故障。这样的编码具有有限的“预测”能力，因为在一般意义上，它们只产生以前通过实验观察到的响应，然后编制程序以供将来评估。例如，为了解释诸如环境和结构破坏之间的相互作用等现象，必须事先预见到这个问题，必须进行具体的实验，其结果必须纳入模型。此外，由于不同的环境，甚至不同程度的环境，对损伤有不同的协同作用，在设计过程中必须考虑到车辆将遇到的特定环境。否则，必须使用“最坏情况”场景来确保车辆的健康和安全;尽管代价是重量和性能。
相似和启发法的另一种常见表现形式是用于车队管理和维护的检查间隔和时间表。检查时间表通常是根据执行过类似任务的类似车辆的经验确定的。通常，检查是根据车队领队的经验进行的，车队中经历最多飞行或退化最严重的车辆。例如，如果在对车队领队的检查中发现某一部件出现不可接受的退化，可以决定立即检查该级别的所有车辆，而不管每一车辆的具体历史。当考虑新的设计或操作条件时，这些问题被放大。不像现有的方法，用来确保安全和可靠性的车辆，有一个明确的和良好的了解了传统，许多未来的飞行器将很少有可以遵循的直接先例，在某些情况下(例如，长时间的太空任务)，飞行器可能不可能进行常规意义上的检查和维护。因此，完全理解退化和异常事件以及预见先前未知的未知事件的能力可能代表了任务成功和任务失败的区别。
数字双范式是一个长期的愿景，旨在解决当前认证、机队管理和维护的这些和其他缺点。本文着重讨论了数字双晶的要求、发展和应用。该文件由下列各节组成:核证和维持的传统方法;数字双胞胎的概念及其应用，包括认证和维护、车辆健康和任务管理，以及现场取证;确定近期实施“数字孪生”模式的机会;浅谈数字孪生的优点它对国家目标的潜在影响;和一个简短的总结和参考资料。
- 数字孪生
2.1。概念
未来几代的航天飞行器将需要更轻的质量比现在更大的负荷和更极端的使用条件，需要更长的时间代的车辆。因此，对结构材料的需求将大大增加，结构的裕度必然会降低。由于极热，机械，和声学载荷可能无法在实验室中再现，除了在构件尺度上，还需要通过计算模拟来识别和量化极限状态。因为车辆很可能会遇到无法预见的情况，革命性的还必须开发验证和确认模型、仿真和系统的方法。此外，还需要能够修改和评估任务参数修改的近实时结果。此外，在长时间的太空任务中，如果运载火箭远离家园，失败的后果几乎肯定是灾难性的。
未来的汽车将依赖于越来越复杂、异质、多功能的材料形式和越来越复杂的失效模式。因此，基于数十年飞机和航天器设计经验的各种标准和手册所包含的大量历史飞行信息可能不足以证明未来的极限飞行器或保证任务的成功。此外，为确保前几次任务的成功所需的信心而进行的广泛的物理测试的费用也越来越高。因此，在材料、结构和系统层面以及整个车辆生命周期中，需要对与退化相关的物理过程有一个完整和基本的理解，以超越过去几十年导致效率低下和不可量化的可靠性的经验和启发式设计规则。复杂的任务，特别是那些外部支持困难或不可能的任务，将需要完成复杂材料、结构和系统的实时管理，最终将导致“自我感知”的车辆。产生众多的工程挑战将需要从当前前后标准工程实践转向额外强调终身维护和可靠性,包括(1)新的多学科基于物理方法以确保强健的认证,和(2)新的多学科确保生命周期的可持续性。如果各种最好的物理(即。在美国，最精确、物理上最真实、最健壮的)模型可以相互集成，并与车载传感器套件相结合，它们将构成车辆仿真认证的基础，并在车辆执行任务期间对车辆进行实时、连续、健康管理。他们将形成一个数字孪生的基础。
数字孪生是一个集成的多物理，多尺度，概率模拟的一个建成的车辆或系统，使用最佳可用的物理模型，传感器更新，舰队历史等，反映其相应的飞行孪生的生活。数字孪生是超现实的，可以考虑一个或多个重要的和相互依赖的车辆系统，包括机身，推进和能量存储，生命支持，航空电子设备，热保护等。数字双晶的极端要求激发了材料设计和材料加工的革命性方法的集成。制造异常可能影响车辆也明确考虑，评估和监测。除了建成结构的高保真物理模型的主干外，数字孪生还集成了来自车辆车载集成车辆健康管理(IVHM)系统的传感器数据、维修历史以及所有可用的历史和车队数据，这些数据是通过数据挖掘和文本挖掘获得的。
通过组合所有这些信息，数字孪生持续预测飞行器或系统的健康状况、剩余使用寿命和任务成功的概率。数字孪生还可以预测系统对安全关键事件的响应，并通过比较预测响应和实际响应来发现之前未知的问题。最后，“数字孪生”上的系统能够通过激活自修复机制或建议改变任务配置来减少负载，从而增加寿命和任务成功的概率，从而减轻损害或退化。
2.2.属性
数字双胞胎的一些属性的图形表示如图3所示。图的叙述按列从左上角到右下角依次展开，如下图所示:
图3:数字双胞胎范式的图形表示。
左前面板
该数字孪生合并了精确的模型的建成配置的车辆或组件，包括材料微观结构，缺陷，制造异常等。确定这些参数需要在从小于1微米到米的多个长度尺度上进行表征。一旦确定了这个精确的“基线”，超高保真物理模型就可以用来预测车辆未来的状态。蒙太奇显示了广泛的材料类型，物理长度尺度和结构配置，可以考虑的数字双胞胎。从左上到右下:失败的纤维在纤维增强复合材料的有限元模型空间飞行器,标本进行电弧喷射测试的BSTRA(球杆拉杆总成)联合航天飞机轨道器将馈线流线主要引擎,一个先进的合金的微观结构包含一个疲劳裂纹,碳纳米管和摩擦铝面板。
左中间窗格
数字孪生严重依赖其机载IVHM系统，除了测量车辆健康状况和性能下降外，还可以持续监测空气动力、热、惯性和其他负载。蒙太奇说明了代表性的IVHM系统和系统输出。从左至右分别是:疲劳裂纹附近的应变场、循环加载谱、IVHM光纤应变传感系统和分层复合材料中分层(蓝色方块)的计算机断层成像图像。
左窗格底部
数字孪生的骨干是一套超高保真的车辆及其系统和结构的物理模型。这些可能包括一个或多个重要的和相互依赖的车辆系统的模型，包括机身、推进和能量存储、生命支持、航空电子设备、热保护等。蒙太奇显示了广泛的物理现象，模型和建模输出，可能包括在数字双胞胎。从左上角到右下角分别是:说明建模一个原子的量子力学和分子动力学模拟、三维有限元模拟变形和断裂的铝合金,一个假设的计算流体动力学模拟车辆在大气的行进,预测周期的数量需要泡核疲劳裂纹(Nnuc)模式形状的有限元模拟航天飞机轨道器将馈线流线主要引擎,提出了裂纹扩展的多尺度模型和氮化硼纳米管作为中子屏蔽材料辐射传输的简单模型。
中心前面板
数字双胞胎使用其车载IVHM系统更新基于物理的模型传感器数据，并不断产生精确的预测车辆健康状况和任务成功的概率。它还可以进行选择和影响调查，以回答有关改变任务概况对车辆所有未来条件的影响的问题。图中显示了故障概率随时间的贝叶斯更新，其中加入了传感器数据，以增加预测的准确性和减少不确定性。
中心面板
每个数字的双胞胎是独特的为一个特定的车辆,可以用来开发“飞”未来的任务设计和认证过程中,不断评估健康在飞行,执行现场取证的潜在或实际的效果几乎危害和评估潜在的改变任务的影响。图中显示了一个假想的交通工具。
中下窗格成功。
中心底部窗格
数字孪生集成车队数据，维修报告和其他历史信息通过数据挖掘和文本挖掘，以进一步通知模拟的车辆。图中显示了数字双胞胎的计算和数据处理能力的概念表示，由美国宇航局艾姆斯研究中心的昂宿星超级计算机表示。昂宿星超级计算机是人类大脑的模型，是支持数字双胞胎的文本和数据流。
右窗格的前面板
数字孪生是能够虚拟数字认证和维持取代过去几十年的经验为基础的设计规则，导致结构效率低下和不可量化的可靠性超高逼真度模拟，传感器系统和数据直接相关的每一个独特的车辆。图中显示了许多现有标准和手册中的一些，这些标准和手册可能会被数字双表取代。
右中间窗格
数字双镜的实际飞行飞行双用传感器更新,不断评估车辆卫生包括确定剩下的生命结构组件和系统,评估任务成功概率和评估现场修复(修复),飞行缓解或减轻负荷策略和其他任务的修改。评估任务参数修改的效果和先前未预见的后果。该图显示了剩余使用寿命(RUL)的估计值，它是负载周期数量的函数。
右窗格底部面板
数字孪生还利用其对历史规范、制造/制造报告和维护数据(如有)的评估，结合对高保真模型的贝叶斯更新，进行现场取证，包括异常检测/诊断和故障树分析。该图显示了与假设的传感器故障相关的故障树的示意图。
3.识别近期机会
许多对数字双胞胎至关重要的技术，目前正在开发的相关愿景多尺度和多物理建模，结构健康管理，高性能计算和其他。与那些个人的愿景不同，数字双胞胎的愿景将广泛的技术与单一的焦点结合在一起。然而，这样一个雄心勃勃的概念在几十年内不太可能成熟，因此需要一系列中间步骤。在这些步骤中，空军研究实验室(AFRL)的数字孪生:螺旋117，一个整合现有的最先进的技术，基准目前的能力，并确定差距使用现有的美国空军车辆，特别是F-15，作为试验台。NASA正在考虑的另一种方法是将重点放在一个小型的高度关键的非冗余组件上，如微电子机械系统(MEMS)，它具有只有最高逼真度的模拟方法和可用的健康管理工具才能获得的特征长度尺度。通过在飞行硬件上使用这种超高保真方法，现有的多尺度建模、现场实验和材料状态感知等技术的缺陷将得到强调。
4.与传统方法相比的优势
作为飞行工具的虚拟实例，数字双胞胎被期望能够体验它的飞行双胞胎体验的每一个事件。由于它的能力，反映了特定车辆的寿命在一个建成的状态，数字孪生必然革命性的认证，车队管理和维护。它还将通过减少对材料特性的统计分布、启发式设计思想、物理测试以及测试和操作条件之间的假设相似性的依赖来降低系统重量。一旦发射，数字双子星将增加飞行器的可靠性，因为它有能力持续监测和减轻退化和异常事件。此外，它将使任务管理人员能够就飞行中可能发生的任务变化的后果作出明智的决定。
5.对国家目标的影响
虽然数字孪生代表了一场革命，用于认证，舰队管理和支持极端飞行任务的支持范式，它有能力影响其他国家的优先事项和目标。除了在NASA的次路线图办公室的首席技术专家(10月)和空军研究实验室的计划,数字双模式可以提供关注近期宣传国家科学基金会(NSF)和国家研究委员会(NRC)领域的仿真基础工程学(某人),综合计算材料工程(ICME)和材料国家意识。
国家科学基金会对SBES的建议中讨论的许多概念在数字双晶的主题中都很普遍，包括材料的多尺度建模、传感器的动态模拟、验证和验证。由于未来极端任务所需的车辆不太可能使用现有的材料形式进行开发，因此需要设计和开发新的使能材料(例如，多功能、纳米结构、超耐用)，并与NRC的ICME路线图相一致。此外，了解车辆或其系统结构的确切状态，包括缺陷的存在微观结构和原子尺度是超高逼真度仿真的基础。评估缺陷演变的能力是Digital Twin机载IVHM系统的一个关键要素，并且与NRC对材料状态感知发展的倡导相一致并提出了一个未来NASA技术的广谱，可以集中在数字双子星上。图4中的省略号中的标题代表了OCT TA 12路线图中讨论技术的各个部分的编号和标题。
“数字孪生”的发展可能带来的附带利益，涵盖了美国工业和制造业、基础设施以及纳米技术的发展等各个领域。通过用对单个车辆或车辆系统退化的理解取代传统的工程实践，数字双晶的范例将影响从微型设备到民用基础设施等物理项目的开发、认证和维护方式。
6.总结
未来几代的航天飞行器将需要比目前这一代的飞行器更轻的质量，同时承受更大的负荷和更极端的使用条件，使用时间更长。因此，对结构材料的需求将大大增加，结构的裕度必然会降低。此外，对其他系统和子系统的要求将比以前的要求更高，尽管对长期可靠性的要求将会增加。由于极端热负荷、机械负荷和声学负荷可能无法在实验室中再现，因此需要通过计算模拟来识别和量化极限状态。此外，车辆可能遇到无法预见的情况。因此，有能力修改和评估任务参数的修改在近实时将是必需的。
目前NASA和美国空军车辆的认证、车队管理和维护方法主要基于材料特性的统计分布、启发式设计哲学、物理测试以及测试和操作条件之间的假设相似性，这些方法可能无法满足未来的极端需求
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