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原文链接：北航董雷霆等：数字工程与数字孪生在航空疲劳与结构完整性领域的研究进展与展望 | 航空学报CJA

2025《航空学报》亮点文章

疲劳与结构完整性贯穿飞机全生命周期，对于保障飞机飞行安全至关重要。作为一种集成化的数字方法，数字工程为飞机结构设计验证和使用维护提供了更高效、更可靠、更经济的解决方案，是未来飞机结构安全性设计与保障理念的重要发展方向。数字工程强调模型的重要性，其关键在于使用数字孪生融合各类模型和实测数据，实现疲劳与结构完整性的准确评估和保持。面向飞机设计验证和使用维护2个阶段，基于第31届航空疲劳与结构完整性国际委员会大会上各成员国报告与国家代表报告的最新研究成果，梳理了近年来国内外数字工程与数字孪生关键技术的研究进展，及其在飞机结构设计验证和使用维护中的具体工程案例。在此基础上，对相关技术的未来发展提出了展望和建议，以促进数字工程和数字孪生理念的进一步拓展和应用。

论文标题：数字工程与数字孪生在航空疲劳与结构完整性领域的研究进展与展望 论文作者：代定强, 周轩, 董雷霆*, 孙侠生 作者单位：北京航空航天大学, 中国航空研究院 出版信息：航空学报, 2025, 46(19): 531022. doi：10. 7527/S1000-6893. 2024. 31022

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数字工程与数字孪生在航空疲劳与结构完整性领域的研究进展与展望

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1 研究背景

过去几十年的飞机使用经验显示，疲劳断裂是飞行事故中结构破坏的主要形式。疲劳与结构完整性贯穿飞机结构的全生命周期，对设计验证和使用维护均具有重要影响。随着理论研究不断深入，飞机结构安全性理念经历了从静强度、安全寿命、破损安全、损伤容限到单机追踪的发展。

2011年，美国空军实验室提出将数字孪生技术应用于单机追踪，通过建立机体数字孪生模型，对结构损伤和剩余寿命进行追踪，并利用飞机传感器采集的数据持续更新模型，从而提高预测精度并降低模型不确定性。2018年，美国国防部发布《数字工程战略》，其核心包括数字系统模型、数字线程和数字孪生，旨在推动武器装备的数字化建设，建立以模型为中心的数字工程生态系统。数字工程理念与数字孪生技术将传统的设计-制造-试验-维修工程范式转变为以模型为中心的范式，为航空疲劳与结构完整性管理提供了更高效、更可靠、更经济的解决方案，如图1所示。

图片来源：GRIFFIN M D, BALDWIN K, STANLEY J, et al. Digital engineering strategy [EB/OL]. Washington, DC, Department of Defense, 2018. (2018-11-12) [2024-04-10]. https://www.acq.osd.mil/se/docs/2018-DES.pdf.

目前，数字工程与数字孪生技术受到了国内外航空领域的广泛重视，并被逐步应用于飞机全生命周期管理中，典型案例包括波音公司的eT-7A和X-37项目、洛克希德·马丁公司的F-35生产改造项目、美国空军B-1B，A-10，F-16等机型的使用维护和寿命管理等，显示出其在缩短飞机研制周期、减少维护成本、降低使用风险、提升飞机可用度方面具有巨大潜力。

在飞机设计与验证阶段，可引入数字工程理念对结构设计流程及相关数据进行统一管理，并借助数字孪生技术实现多源模型与数据的融合，如图2所示。一方面，通过结构的多层级建模仿真，使用基于模型的虚拟试验技术代替部分结构试验，或借助仿真模型辅助试验实施，从而实现降本增效；另一方面，基于先进的试验测试技术，将仿真结果与试验实测数据进行融合分析，从有限的试验数据中深入挖掘更多有效信息，提高试验效益，为结构设计改进提供决策支持。

在飞机使用与维护阶段，可应用数字工程和数字孪生技术，实现使用维护数据的反馈和更新的集成化、自动化，并持续追踪疲劳与结构完整性，包括（1）分析结构服役载荷和损伤检查数据，并基于数字孪生模型映射机体真实状态；（2）对结构损伤进行精准建模，并通过仿真评估含损伤结构的剩余强度；（3）分析各类潜在的不确定性对结构承载能力和失效概率的影响，为结构使用风险评估和检查维护计划制定提供支撑。

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2 设计与验证阶段的数字工程与数字孪生

2.1 多层级建模仿真技术

飞机的结构组成高度复杂，对大型结构进行精细化建模和仿真往往会带来难以接受的计算资源消耗。因此，多层级结构建模与仿真成为当前的主流研究思路。在材料层面，通常利用机器学习预测新型材料的力学性能，并借助材料数字工程框架，实现材料属性及使用数据在全生命周期不同阶段的传递。在结构元件、组件与细节层面，针对先进复合材料结构，国内外研究人员开发了专门的建模与仿真方法，能够实现对含损伤结构行为的高保真模拟。对于增材制造结构，已发展出多种面向增材制造过程的数字孪生方法，有助于减少制造缺陷并辅助工艺决策。在飞机部件层面，国内外研究机构已形成了以结构试件到整机为核心的多层级、多尺度结构设计与分析架构，如图3所示。该架构通过低层级试验积累关键数据，突破多层级分析的核心难题，实现复杂部件级结构的高效仿真分析。

图片来源：TOUZET L. National review of France[C]//Proceedings of 31st Symposium of International Committee on Aeronautical Fatigue and Structural Integrity. Amsterdam: ICAF, 2023.

2.2 先进试验测试技术

结构试验受到成本、周期和试验难度等诸多因素的限制，借助以模型为核心的数字工程和数字孪生技术，可以有效指导或辅助试验的开展。在试验设计方面，通过建立试验环境、加载测试系统与试验结构模型，提前模拟试验过程，并对传感器布局进行选择和优化，以提高数据采集的效率和精度；在试验结果分析方面，通过融合模型仿真与试验数据，实现结构全局响应重构，基于有限的试验数据获取更多关键信息，从而提升试验收益。

2.3 设计与验证阶段的工程应用

国内外航空制造商已开始在飞机设计与验证阶段积极探索应用数字工程和数字孪生技术。例如，中国飞机强度研究所开发的虚拟试验技术体系已成功应用于大型飞机地面试验；沈阳飞机设计研究所利用数字工程理念实现增材制造过程优化；中国飞行试验研究院基于数字工程理念提高了颤振试验效率，并保障飞行试验安全性。国外也有将数字工程与数字孪生理念应用于eT-7A、X-37、F-35等机型研制的报道。从国内现有的工程应用案例来看，尽管各单位积极推进以模型仿真指导结构设计的工作理念，但在研发过程中，模型文件管理、数据交互、物料采购和需求管理等尚未实现完全的数字化管理，仍未达到全面数字工程的标准，尚未能够在完整的飞机研制周期内持续开展以模型为中心的设计迭代。

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3 使用与维护阶段的数字工程与数字孪生

3.1 飞行状态/载荷识别

结构载荷历程是影响其疲劳和结构完整性的关键因素。近年来，基于机器学习的飞行状态识别方法以及模型/数据融合的载荷追踪技术已成为研究热点。这些方法能够从飞参数据、航迹信息等中提取结构载荷信息，为结构疲劳分析提供关键输入。例如，北京航空航天大学董雷霆团队与米兰理工大学Marco Giglio团队合作提出了如图4所示的模型/数据融合的无人机飞行载荷追踪方法，基于试飞数据构建了基于深度学习的飞参-应变预测模型，并结合基于降阶模型的载荷反演方法，实现服役阶段不依赖广布应变测量的全场飞行载荷在线追踪。

来源：ZHOU X， DZIENDZIKOWSKI M， DRAGAN K， et al. In-service load monitoring for an UAV digital twin［C］∥ Proceedings of the 11th European Workshop on Struc⁃ tural Health Monitoring （EWSHM 2024）. 2024.

3.2 先进检测/监测技术

数字工程和数字孪生技术要求在结构服役期间持续获取数据，以更新模型并追踪结构实际状态。在飞机地面检查过程中，自动化和智能化损伤检测设备的应用显著提高了检查效率和检测准确性，典型方法包括无人机巡检、自动化C-扫描等。此外，在飞行过程中，基于低成本嵌入式在线监测设备，可实时采集结构载荷和裂纹扩展数据，为损伤预测和剩余寿命评估提供实时输入，助力预测性维护的实现。

3.3 含损伤结构建模与仿真

含损伤结构的仿真分析是疲劳与结构完整性研究的重点，针对含损伤结构的仿真方法不断丰富，传统的有限元法、扩展有限元法、边界元法等得到了进一步发展，能够对具有复杂损伤类型及材料属性的结构进行高效准确建模和分析。特别是结合人工智能技术开发的降阶模型，实现了裂纹扩展的实时仿真，为结构剩余寿命评估提供了有力工具。例如，北京航空航天大学董雷霆团队开发了复杂结构三维裂纹扩展的降阶实时仿真技术，将传统有限元法与局部对称伽辽金边界元法结合，并通过神经网络和裂纹扩展方程建立裂纹扩展降阶模型，实现了裂纹扩展在线实时仿真计算，如图5所示。

3.4 考虑不确定性的模型数据融合

贝叶斯理论和蒙特卡洛方法被广泛应用于结构全生命周期不确定性量化。针对结构的几何、材料、损伤、维护工艺、检查监测数据等潜在不确定来源，通过融合仿真模型与监测数据构建结构数字孪生体，能够有效控制模型预测不确定性，提升剩余寿命评估的可靠性。

3.5 使用维护阶段的工程应用

在飞机结构使用与维护中，数字工程和数字孪生技术已受到国内外相关部门的广泛重视。常见的工程实践方式包括：开发统一的软件或平台，以实现对模型、数据和资料的数字化高效管理、传递与利用；通过对飞机使用和维护过程进行实时监控，持续追踪结构的性能状态；基于结构当前状态评估，辅助飞机未来使用与维护决策。在国际上，美国空军已在A-10、B-1B、F-16等机型推广数字工程理念，并开发了集成化管理平台；加拿大国家研究院和欧洲空客公司也建立了飞机结构数字孪生框架，如图6所示。国内也有一些类似的探索实践，但相比之下，国内在该领域的应用研究相对滞后，尚未形成系统性的结构使用与维护框架。

图片来源：LIAO M, RENAUD G, BOMBARDIER Y. Digital twin technology development and demonstration for aircraft structural life-cycle management[C]//NDE 4.0, Predictive Maintenance, Communication, and Energy Systems: The Digital Transformation of NDE. Bellingham: SPIE, 2023, 12489: 16-26.

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4 总结与展望

数字工程与数字孪生技术为航空疲劳与结构完整性管理提供了全新的解决方案。近年来，与其工程应用实践相关的重要技术——包括建模仿真、试验测试、载荷识别、检测与监测以及模型/数据融合——均取得了较为显著的进展。

为进一步推动其在航空疲劳与结构完整性领域的工程应用推广，提出以下建议和展望：

1）全面推动核心技术研究，构建完整的数字工程技术框架。

2）加强产学研用合作，建立贯穿结构全生命周期并连接各个利益相关方的共享数据库。

3）制定行业技术标准，促进通用应用平台及数据共享方式的开发。

未来，随着各技术板块的交叉融合和标准化工作的推进，数字工程与数字孪生技术将在航空疲劳与结构完整性领域发挥更加重要的作用，为飞机结构全生命周期管理提供坚实支撑。

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作者及团队简介

>>作者简介

董雷霆（通信作者），北京航空航天大学教授、博导，现任航空科学与工程学院党委书记，国家级青年人才计划入选者，主要开展飞机结构数字孪生、结构损伤容限与维修、结构毁伤与防护、结构分析新方法与软件研究，在《航空学报》、AIAA Journal, Nature Materials等权威期刊发表学术论文100余篇，牵头获GF科技进步二等奖、卞学鐄奖等荣誉奖励。

代定强（第一作者），北京航空航天大学航空科学与工程学院飞机系博士研究生，主要从事飞机结构数字孪生方向研究。

周轩，北京航空航天大学师资博士后/助理教授，主要从事飞机结构数字孪生与视情维修相关研究。以一作/通信作者身份发表AIAA Journal论文8篇，主持国家自然科学基金青年科学基金、中国博士后科学基金特别资助、面上资助等项目，入选国家博士后海外引才专项计划、中国航空学会博士学位论文托举工程。

孙侠生，研究员，航空疲劳与结构完整性国际委员会（ICAF）中国国家代表，中国航空教育学会秘书长、常务理事。曾任中国飞机强度研究所总工程师、所长、党委副书记，中航工业基础技术研究院董事长、分党组书记，中国航空研究院常务副院长、党委副书记、科技委主任。获GF奖3项、航空报国金奖5次、总经理特别奖2次、航空工业创建60周年杰出贡献奖和第六届中国航空学会冯如航空科技精英奖。

>>团队简介

北京航空航天大学董雷霆教授团队面向飞机结构安全性与生存力的需求，长期开展飞机结构数字孪生、结构损伤容限与维修、结构毁伤与防护、结构分析新方法与软件的研究工作。团队承担了多项国家级重点项目，包括国家自然科学基金联合基金重点项目和创新特区重点项目，并与国内多家航空主机院所和大修单位建立了紧密合作，提出的先进建模仿真技术和开发的专业软件工具已在我国多型航空装备的研制与运维中得到应用。

两刊简介