Jumeaux numériques des composants aéronautiques

Jumeaux numériques des composants aéronautiques : le modèle virtuel pour des performances et un support améliorés

Le concept du Digital Twin révolutionne l’aviation, allant au-delà des simulations au niveau de la cellule pour atteindre les composants mêmes qui rendent le vol possible. Pour les responsables des achats et les professionnels du maintien en puissance, un jumeau numérique d'un relais d'aviation militaire , d'un capteur d'aviation ou d'une pièce de moteur d'aviation de haute qualité représente plus qu'un modèle 3D : il s'agit d'une contrepartie virtuelle vivante et basée sur les données qui transforme la façon dont nous spécifions, surveillons, entretenons et optimisons le matériel critique tout au long de son cycle de vie.

Qu’est-ce qu’un jumeau numérique de composant aéronautique ?

Un jumeau numérique est une représentation virtuelle dynamique d'un composant ou d'un système physique qui est mis à jour avec les données de son homologue du monde réel tout au long de sa vie. Il intègre des modèles géométriques, des données d'ingénierie, des modèles de simulation et des données opérationnelles en temps réel pour créer une empreinte numérique complète.

L'architecture multicouche d'un jumeau numérique à composants :

• La composante physique : l'élément tangible, tel qu'un contacteur d'aviation militaire avec un numéro de série unique, installé sur un avion.
• Le modèle virtuel : la représentation numérique haute fidélité, comprenant la géométrie CAO 3D, les propriétés des matériaux et les modèles de simulation comportementale (par exemple, contraintes thermiques, électriques et mécaniques).
• Le lien de données : la connexion (via des capteurs IoT, des enregistrements de maintenance, etc.) qui alimente les données du monde réel (vibrations, température, nombre de cycles, heures de fonctionnement) dans le modèle virtuel.
• La couche Analytics & AI : logiciel qui traite les données entrantes, les compare aux prédictions du modèle et génère des informations sur la santé, les performances et la durée de vie utile restante (RUL).

Applications pratiques tout au long du cycle de vie des composants

Les jumeaux numériques offrent une valeur tangible à chaque étape, de l'approvisionnement jusqu'au retrait.

1. Conception, développement et qualification

Tests virtuels et optimisation : avant la construction de prototypes physiques, les ingénieurs peuvent simuler la manière dont une nouvelle conception de fusible d'aviation gère les courants de défaut ou la manière dont un nouveau boîtier de capteur d'aviation répartit les contraintes thermiques. Cela accélère la R&D et réduit les échecs coûteux des tests physiques.

2. Fabrication et assurance qualité

Le composant « né numérique » : le jumeau numérique est lancé avec les données « telles que construites » du composant : lots de matériaux exacts, tolérances d'usinage et résultats de tests individuels de production. Cela crée un enregistrement de qualité immuable pour chaque relais ou contacteur expédié.

3. Opérations en service et maintenance prédictive

De la maintenance programmée à la maintenance conditionnelle : en comparant les données de capteurs en temps réel (par exemple, celles d'un capteur de vibrations d'un moteur d'avion ) ​​au modèle de performances attendues du jumeau numérique, l'IA peut prédire des anomalies telles que l'usure des roulements ou l'érosion des contacts dans un contacteur des semaines à l'avance. Cela évite les temps d’arrêt imprévus.

4. Maintien en puissance, réparation et logistique

Prévision intelligente des pièces de rechange et conseils de réparation : la prévision de l'état du jumeau numérique indique précisément quand une pièce de rechange sera nécessaire. Pour les réparations complexes, les techniciens peuvent utiliser les superpositions de réalité augmentée (RA) du Digital Twin pour des conseils étape par étape, réduisant ainsi les erreurs et le temps.

Moteurs de l’industrie, intégration et perspective du marché russe

R&D en nouvelles technologies et dynamique des applications

L’évolution se fait vers des jumeaux (intégration au niveau du système) et une autonomie basée sur l’IA.

• Jumeaux numériques fédérés : les jumeaux de composants individuels (par exemple, d'un compteur d'aviation , d'une pompe, d'une vanne) sont liés pour former un jumeau de sous-système, qui à son tour alimente le jumeau complet de l'avion, permettant ainsi la gestion de l'état de santé de l'ensemble du système.
• IA pour l'analyse prédictive et les actions prescriptives : au-delà de la prévision des pannes, l'IA suggérera des actions de maintenance optimales (par exemple, "nettoyer les contacts maintenant" ou "remplacer dans 50 cycles") et recommandera même des ajustements opérationnels pour prolonger la durée de vie des composants.
• Blockchain pour l'intégrité des données du jumeau : utiliser la technologie du grand livre distribué pour garantir que les données historiques d'un jumeau numérique (dossiers de maintenance, propriété) sont infalsifiables et entièrement vérifiables, ce qui est crucial pour les composants de grande valeur.

Insight : les 5 principales priorités des jumeaux numériques pour l'aviation russe et de la CEI

L’adoption dans cette région est façonnée par la volonté de souveraineté technologique et le défi de la flotte historique :

1. Développement sur des plates-formes logicielles nationales (par exemple, 基于 Р7-ОС, Astra Linux) : une forte préférence pour les plates-formes Digital Twin construites sur des systèmes d'exploitation et des suites logicielles développés en Russie pour garantir la souveraineté et la sécurité des données, en évitant les plates-formes PLM/IIoT occidentales.
2. Intégration avec les systèmes de logistique et de maintenance appartenant à l'État (Единая система...) : Les jumeaux numériques doivent alimenter les données et recevoir les ordres de travail des systèmes monolithiques de logistique et de maintenance de l'aviation gérés par l'État.
3. Focus sur les plates-formes existantes (par exemple, Su-24/25, Mi-8) Maintien en puissance : la création de « jumeaux numériques de modernisation » pour les composants critiques sur les plates-formes vieillissantes est une priorité immédiate plus élevée que pour les nouvelles conceptions, afin de prolonger la durée de vie et de gérer les pièces de rechange rares.
4. Utilisation limitée mais stratégique de l’IA dans le cadre de paramètres contrôlés : l’analyse de l’IA à des fins de prédiction sera utilisée, mais probablement avec une surveillance plus humaine et développée par des instituts nationaux d’IA agréés.
5. Accent mis sur la cybersécurité et les déploiements en air-gapped : pour les plates-formes militaires sensibles, les jumeaux numériques peuvent fonctionner sur des réseaux isolés et en air-gapped. Les composants et leurs interfaces de données seront examinés à la recherche de cyber-vulnérabilités potentielles introduites par la double connectivité.

Un guide étape par étape pour la mise en œuvre de jumeaux numériques de composants

Pour les organisations qui cherchent à adopter cette technologie, une approche progressive est essentielle :

1. Identifiez les cas d'utilisation à forte valeur ajoutée :
   • Commencez par les composants dont la panne est coûteuse ou perturbatrice : par exemple, les moniteurs de moteur d'aviation de haute qualité critiques, les contacteurs haute puissance ou les LRU complexes. Le retour sur investissement est ici le plus clair.
2. Établir la fondation des données (le fil numérique) :
   • Assurez-vous que chaque composant possède un identifiant unique et que ses données « telles que conçues » (CAO), « telles que construites » (données de fabrication) et « telles que entretenues » (historique de service) peuvent être liées dans un système géré.
3. Sélectionner ou développer la plateforme Twin :
   • Choisissez une plate-forme capable de s'intégrer aux systèmes d'ingénierie (PLM), de maintenance (MRO) et d'exploitation (IoT) existants. Considérez les exigences du cloud par rapport aux exigences sur site et en matière de cybersécurité.
4. Composants de l'instrument et données de connexion :
   • Pour les nouveaux composants, spécifiez les capteurs et les ports de données intégrés. Pour les actifs existants, utilisez des kits de capteurs de mise à niveau. Établissez des pipelines de données sécurisés depuis l’avion vers le jumeau.
5. Développer et valider des modèles d'analyse :
   • Travaillez avec des data scientists et des experts du domaine pour créer des modèles basés sur la physique et l'apprentissage automatique capables de prédire avec précision le comportement et les défaillances à partir des données.
6. Intégration aux flux de travail et mise à l'échelle :
   • Formez les équipes de maintenance et les planificateurs de la chaîne d’approvisionnement à utiliser les connaissances des jumeaux. Commencez par un programme pilote, démontrez la valeur, puis étendez-le à d'autres types de composants.

YM : pionnier du composant « Born-Digital »

Chez YM, nous nous préparons pour un avenir où chaque composant de haute fiabilité que nous expédions est accompagné de son jumeau numérique intelligent, transformant nos produits en partenaires de données à long terme pour nos clients.

Échelle et installations de fabrication : là où est né le jumeau numérique

Notre système avancé d’exécution de la fabrication (MES) est le berceau de nos composants jumeaux. Pour chaque relais ou capteur de l’aviation militaire produit, le MES génère automatiquement un enregistrement Digital Twin fondamental. Cet enregistrement comprend le scan 3D de l'unité réelle, les formes d'onde des tests électriques depuis l'acceptation finale, le lot spécifique de matériau de contact utilisé et même les données environnementales de la cellule de production. Ce riche « acte de naissance » fournit une base de référence sans précédent pour de futures comparaisons en matière de santé.

R&D et innovation : l'écosystème YM "TwinCore"

Nous développons le module de données embarqué "TwinCore" , une étiquette électronique miniaturisée et robuste pour nos composants. Ce module stocke l'identification numérique unique du composant, les paramètres clés « tels que construits » et un journal de mémoire sécurisé. En service, il peut enregistrer les événements essentiels du cycle de vie (nombre de cycles, températures maximales rencontrées) même si le composant n'est pas sur un bus de données en direct. Pendant la maintenance, un technicien peut interroger sans fil le TwinCore pour accéder instantanément à l'historique numérique complet du composant et à l'état actuel du jumeau, comblant ainsi le fossé entre les mondes physique et numérique.

Normes, modèles de données et interopérabilité

Pour que les jumeaux numériques soient efficaces dans tous les écosystèmes, la normalisation est essentielle.

• ISO 23247 (cadre des jumeaux numériques pour la fabrication) : fournit un cadre et un vocabulaire fondamentaux pour la création de jumeaux numériques.
• Normes ASD/AIA (S系列) : S1000D (publications techniques), S2000M (gestion du matériel) et S3000L (analyse du support logistique) fournissent des formats de données structurés qui peuvent alimenter et être enrichis par Digital Twins.
• Normes ouvertes pour l'IoT et les données (OPC UA, MQTT) : permettez un échange de données sémantique et sécurisé depuis les capteurs et les machines vers la plateforme jumelle.
• Asset Administration Shell (AAS) / Industrie 4.0 : Un concept clé pour standardiser la représentation numérique d'un actif, qui gagne du terrain dans le secteur manufacturier.
• Normes nationales russes (ГОСТ Р) : attendez-vous au développement futur des normes GOST régissant les formats de données et la sécurité des jumeaux numériques pour une utilisation dans l'aviation et la défense russes.

Foire aux questions (FAQ)

Q : Quelle est la différence entre un jumeau numérique et un simple modèle CAO 3D ou une base de données de dossiers de maintenance ?

R : Un modèle CAO 3D est un fichier de conception statique. Une base de données de maintenance contient des enregistrements historiques. Un jumeau numérique est dynamique et intégrateur. Il combine la géométrie (souvent plus détaillée que la CAO), simule la physique du monde réel et est continuellement mis à jour avec des données en direct et historiques pour refléter l'état exact et l'histoire de la vie d'une instance physique spécifique, comme le numéro de série SN12345 d'un fusible d'aviation particulier. C'est une simulation vivante, pas une archive ou un dessin.

Q : Quel est l'impact des Digital Twins sur le processus d'approvisionnement en composants ?

R : Ils transforment les achats d'une fonction transactionnelle en une fonction stratégique basée sur les données. Les appels d’offres peuvent désormais exiger des fournisseurs qu’ils fournissent un livrable de jumeau numérique dans le cadre du produit. Ce jumeau devient un outil pour :

• Validation des allégations de performances : simulation du composant dans votre environnement d'avion virtuel spécifique avant l'achat.
• Assurer la qualité et la traçabilité : le jumeau "tel que construit" fournit une preuve immuable de la qualité et de la provenance des matériaux.
• Gestion du coût total du cycle de vie : permet une prévision précise des besoins en maintenance et en pièces de rechange, éclairant ainsi l'analyse du coût total de possession.

Q : Les jumeaux numériques sont-ils uniquement réalisables pour les nouveaux composants intelligents dotés de capteurs intégrés ?

R : Non. Une approche hybride est courante et précieuse. Pour les composants existants comme un relais électromécanique traditionnel, vous pouvez créer un jumeau numérique « plus léger ». Ce jumeau utiliserait le modèle 3D et les modes de défaillance connus, et serait mis à jour avec des entrées de maintenance manuelles (comptes de cycles, résultats d'inspection) au lieu des données de capteurs en direct. Il offre toujours un meilleur suivi et une meilleure estimation de la santé que les dossiers papier. Au fur et à mesure que les composants sont installés ou remplacés, ils peuvent être mis à niveau vers des jumeaux « plus intelligents ».

Références et lectures complémentaires

• Organisation internationale de normalisation (ISO). (2021). ISO 23247-1:2021 Systèmes d'automatisation et intégration — Cadre de jumeau numérique pour la fabrication — Partie 1 : Présentation et principes généraux.
• TSA/AIA. (2022). S系列标准 (S1000D, S2000M, S3000L). Association européenne des industries aérospatiales et de défense.
• Grieves, M. et Vickers, J. (2017). Jumeau numérique : Atténuer les comportements émergents imprévisibles et indésirables dans les systèmes complexes. Dans Perspectives transdisciplinaires sur les systèmes complexes.