PLM工業(yè)軟件下的工程科研虛擬試驗技術(shù)

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摘要：本文以產(chǎn)品全生命周期（ProductLifecycleManagement，plm）工業(yè)軟件為平臺，對工程科研領(lǐng)域的虛擬試驗技術(shù)進行了介紹，闡述了其與現(xiàn)實試驗驗證技術(shù)之間相輔相成的關(guān)系，同時，對其在計算機輔助試驗設(shè)計(CATD)及試驗器設(shè)備改造中的應用進行了展望。

關(guān)鍵詞：虛擬試驗技術(shù)；PLM；計算機輔助試驗設(shè)計(CATD)；設(shè)備改造；概述

虛擬試驗技術(shù)最早應用在大中院校，是在計算機系統(tǒng)中搭建各種虛擬的試驗環(huán)境進行教學研究，使得學生能夠擺脫現(xiàn)實客觀試驗條件的束縛，取得更好的學習與訓練效果。國外專家學者得到靈感，將該技術(shù)優(yōu)化發(fā)展并應用于工程實踐中，取得了迅猛的發(fā)展，已經(jīng)應用在產(chǎn)品研制周期的全過程中。典型的案例就是波音787寬體客機的大型試驗均在虛擬環(huán)境中進行，使得研制風險大大降低，研制周期也相應地得到了縮短。國內(nèi)工程實踐領(lǐng)域內(nèi)的虛擬試驗技術(shù)在電子元件研發(fā)制造與車輛工程領(lǐng)域最先應用，汽車研發(fā)中心利用虛擬試驗技術(shù)測量分析輪胎在不同環(huán)境下的運行數(shù)據(jù)、研究車輛的操縱穩(wěn)定性，對車輛的生產(chǎn)環(huán)境進行仿真解決系統(tǒng)對駕駛員特征難以實現(xiàn)精確表述的困難，在安全性方面對車輛的碰撞與翻轉(zhuǎn)進行虛擬試驗仿真完善設(shè)計。在國內(nèi)航空領(lǐng)域的應用近幾年剛剛起步，C9型客機的試飛工作應用了虛擬試驗技術(shù)。由于航空發(fā)動機的特殊性與重要性，虛擬試驗驗證技術(shù)在地面試驗中應用較少，尤其是在零部件性能試驗與強度試驗專業(yè)領(lǐng)域。某些情況下，零部件試驗的試驗環(huán)境無法100%真實地模擬試驗件實際的工作狀態(tài)，這主要是受到現(xiàn)實試驗條件的制約及試驗流程各個環(huán)節(jié)誤差因素的累計放大等因素的影響。因此，在零部件性能與強度試驗專業(yè)領(lǐng)域開展虛擬試驗驗證技術(shù)與仿真應用的研究是很有意義的，它可以與現(xiàn)實試驗技術(shù)構(gòu)成“數(shù)字與現(xiàn)實并行孿生雙胞胎”，二者互相指導互相完善，能夠加快試驗設(shè)計流程，提升試驗設(shè)計質(zhì)量，節(jié)省試驗成本，降低試驗風險，提高試驗效率等。值得一提的是，本文所述的虛擬試驗技術(shù)不僅僅是試驗件真實工作環(huán)境條件下的仿真分析，還可以是針對現(xiàn)有試驗條件與試驗方案的仿真對比應用研究。

1虛擬試驗技術(shù)在試驗流程中應用的思路

如圖1所示，該圖簡要展示了正常的試驗開展流程，從圖中可以看出，虛擬試驗技術(shù)主要由四部分構(gòu)成，即試驗工藝裝置設(shè)計、試驗方案校核、試驗前評審與試驗結(jié)果的初步預測等。如果再加上最初的試驗方案計算機輔助設(shè)計與測試方案計算機輔助設(shè)計，就構(gòu)成了比較完善的計算機輔助試驗設(shè)計(CATD)系統(tǒng)。該項目在正常試驗流程中的應用也從這幾個部分入手：（1）試驗工藝裝置設(shè)計：這部分的主要思路是搭建一套基于參數(shù)化設(shè)計常用的試驗工裝零部件數(shù)據(jù)庫，方便設(shè)計人員針對不同的試驗參數(shù)要求有的放矢地選用，提升設(shè)計效率。最終的目標的數(shù)據(jù)庫可以實現(xiàn)SiemensNX建模中重用庫的功能。（2）試驗方案校核：這一部分是虛擬試驗技術(shù)的核心與關(guān)鍵，主要思路是針對不同專業(yè)領(lǐng)域的試驗(強度試驗或性能試驗)，對不同的仿真軟件進行二次開發(fā)(如Siemens公司的Simcenter3D、NXNastran或StarCCM+等)，搭建一個針對現(xiàn)有試驗條件的虛擬仿真平臺供設(shè)計人員使用。最終的目的是不同的試驗參數(shù)要求可以快速得到相應試驗條件下仿真結(jié)果，來校核試驗方案的可行性與準確性。（3）試驗前評審：試驗方案校核中的仿真結(jié)果可以作為試驗前技術(shù)評審和安全評審的客觀依據(jù)支撐試驗方案設(shè)計的準確性，降低試驗風險。（4）試驗結(jié)果預測：這部分是在試驗通過評審正式開展前，通過仿真進行試驗結(jié)果的初步預測，防止在試驗實施過程中走彎路。最終目的是能夠和真實試驗結(jié)果達到數(shù)量級上的一致性。上述四個步驟構(gòu)成了虛擬試驗技術(shù)的基本流程，而計算機輔助試驗設(shè)計(CATD)系統(tǒng)還包括計算機輔助試驗方案設(shè)計與計算機輔助測試方案設(shè)計，前者是依托人工智能(AI)在現(xiàn)有試驗條件下優(yōu)化設(shè)計出“最具性價比”的試驗方案，后者是在仿真應用較完善的基礎(chǔ)上選取最佳的測試位置與測試方法等。

2虛擬試驗技術(shù)在試驗器設(shè)備改造流程中應用的思路

如圖2所示，該圖展示了虛擬試驗仿真技術(shù)在設(shè)備改造流程中的應用。與在正常試驗流程中類似，需要在改造方案實施前對該方案進行虛擬仿真應用以校對方案的正確性與可執(zhí)行性，不同的是，需要建立試驗設(shè)備與試驗用儀器儀表在虛擬環(huán)境中的參數(shù)數(shù)據(jù)庫以便調(diào)用，最終目的是建立完善的設(shè)備與儀器儀表仿真參數(shù)數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)υO(shè)備改造起到一定的指導作用。

3應用虛擬試驗技術(shù)所能達到的預期成果

（1）能夠建立一套虛擬試驗驗證技術(shù)體系，使其能夠與現(xiàn)實試驗驗證技術(shù)相互作用、共同發(fā)展，如圖3所示。（2）能夠進行不同試驗方案之間的對比，優(yōu)化試驗方案設(shè)計，節(jié)省試驗成本。（3）虛擬試驗可以覆蓋所有工況(包括一些非正常工況、極限工況和危險工況等)，能夠獲取全面的測量信息，經(jīng)過經(jīng)驗積累，最終實現(xiàn)減少現(xiàn)實試驗次數(shù)，替代部分現(xiàn)實試驗，節(jié)省試驗成本的同時達到降低試驗風險的目的。（4）虛擬試驗可以進行試驗工裝強度及關(guān)鍵尺寸校核，提高試驗效率，提升試驗設(shè)計質(zhì)量。

4虛擬試驗技術(shù)應用舉例

通過工業(yè)軟件仿真對該支架進行拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，在保證滿足承受指定載荷的前提下得到了相對簡單、輕量化的結(jié)構(gòu)方案。

5結(jié)語

虛擬試驗技術(shù)目前在國內(nèi)工程科研試驗驗證領(lǐng)域還未得到足夠的認可與重視，不過，隨著自動化與信息化的普及，其必定會逐漸走上工業(yè)化的舞臺嶄露頭角。本文從虛擬試驗技術(shù)在零部件性能與強度試驗領(lǐng)域應用的角度入手提出了兩個應用思路，希望能起到拋磚引玉的作用，為廣大試驗技術(shù)從業(yè)人員開闊思路、技術(shù)創(chuàng)新提供一點幫助。

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作者：呂頌 單位：中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所強度試驗研究室