PLM工業(yè)軟件下的工程科研虛擬試驗(yàn)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(yàn)技術(shù)進(jìn)行了介紹，闡述了其與現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)之間相輔相成的關(guān)系，同時，對其在計算機(jī)輔助試驗(yàn)設(shè)計(CATD)及試驗(yàn)器設(shè)備改造中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

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

虛擬試驗(yàn)技術(shù)最早應(yīng)用在大中院校，是在計算機(jī)系統(tǒng)中搭建各種虛擬的試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行教學(xué)研究，使得學(xué)生能夠擺脫現(xiàn)實(shí)客觀試驗(yàn)條件的束縛，取得更好的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練效果。國外專家學(xué)者得到靈感，將該技術(shù)優(yōu)化發(fā)展并應(yīng)用于工程實(shí)踐中，取得了迅猛的發(fā)展，已經(jīng)應(yīng)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(jī)的大型試驗(yàn)均在虛擬環(huán)境中進(jìn)行，使得研制風(fēng)險大大降低，研制周期也相應(yīng)地得到了縮短。國內(nèi)工程實(shí)踐領(lǐng)域內(nèi)的虛擬試驗(yàn)技術(shù)在電子元件研發(fā)制造與車輛工程領(lǐng)域最先應(yīng)用，汽車研發(fā)中心利用虛擬試驗(yàn)技術(shù)測量分析輪胎在不同環(huán)境下的運(yùn)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(jìn)行仿真解決系統(tǒng)對駕駛員特征難以實(shí)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(jìn)行虛擬試驗(yàn)仿真完善設(shè)計。在國內(nèi)航空領(lǐng)域的應(yīng)用近幾年剛剛起步，C9型客機(jī)的試飛工作應(yīng)用了虛擬試驗(yàn)技術(shù)。由于航空發(fā)動機(jī)的特殊性與重要性，虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)在地面試驗(yàn)中應(yīng)用較少，尤其是在零部件性能試驗(yàn)與強(qiáng)度試驗(yàn)專業(yè)領(lǐng)域。某些情況下，零部件試驗(yàn)的試驗(yàn)環(huán)境無法100%真實(shí)地模擬試驗(yàn)件實(shí)際的工作狀態(tài)，這主要是受到現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)條件的制約及試驗(yàn)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(qiáng)度試驗(yàn)專業(yè)領(lǐng)域開展虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)與仿真應(yīng)用的研究是很有意義的，它可以與現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)技術(shù)構(gòu)成“數(shù)字與現(xiàn)實(shí)并行孿生雙胞胎”，二者互相指導(dǎo)互相完善，能夠加快試驗(yàn)設(shè)計流程，提升試驗(yàn)設(shè)計質(zhì)量，節(jié)省試驗(yàn)成本，降低試驗(yàn)風(fēng)險，提高試驗(yàn)效率等。值得一提的是，本文所述的虛擬試驗(yàn)技術(shù)不僅僅是試驗(yàn)件真實(shí)工作環(huán)境條件下的仿真分析，還可以是針對現(xiàn)有試驗(yàn)條件與試驗(yàn)方案的仿真對比應(yīng)用研究。

1虛擬試驗(yàn)技術(shù)在試驗(yàn)流程中應(yīng)用的思路

如圖1所示，該圖簡要展示了正常的試驗(yàn)開展流程，從圖中可以看出，虛擬試驗(yàn)技術(shù)主要由四部分構(gòu)成，即試驗(yàn)工藝裝置設(shè)計、試驗(yàn)方案校核、試驗(yàn)前評審與試驗(yàn)結(jié)果的初步預(yù)測等。如果再加上最初的試驗(yàn)方案計算機(jī)輔助設(shè)計與測試方案計算機(jī)輔助設(shè)計，就構(gòu)成了比較完善的計算機(jī)輔助試驗(yàn)設(shè)計(CATD)系統(tǒng)。該項(xiàng)目在正常試驗(yàn)流程中的應(yīng)用也從這幾個部分入手：（1）試驗(yàn)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(yàn)工裝零部件數(shù)據(jù)庫，方便設(shè)計人員針對不同的試驗(yàn)參數(shù)要求有的放矢地選用，提升設(shè)計效率。最終的目標(biāo)的數(shù)據(jù)庫可以實(shí)現(xiàn)SiemensNX建模中重用庫的功能。（2）試驗(yàn)方案校核：這一部分是虛擬試驗(yàn)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(yàn)(強(qiáng)度試驗(yàn)或性能試驗(yàn))，對不同的仿真軟件進(jìn)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(yàn)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(yàn)參數(shù)要求可以快速得到相應(yīng)試驗(yàn)條件下仿真結(jié)果，來校核試驗(yàn)方案的可行性與準(zhǔn)確性。（3）試驗(yàn)前評審：試驗(yàn)方案校核中的仿真結(jié)果可以作為試驗(yàn)前技術(shù)評審和安全評審的客觀依據(jù)支撐試驗(yàn)方案設(shè)計的準(zhǔn)確性，降低試驗(yàn)風(fēng)險。（4）試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測：這部分是在試驗(yàn)通過評審正式開展前，通過仿真進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果的初步預(yù)測，防止在試驗(yàn)實(shí)施過程中走彎路。最終目的是能夠和真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到數(shù)量級上的一致性。上述四個步驟構(gòu)成了虛擬試驗(yàn)技術(shù)的基本流程，而計算機(jī)輔助試驗(yàn)設(shè)計(CATD)系統(tǒng)還包括計算機(jī)輔助試驗(yàn)方案設(shè)計與計算機(jī)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(yàn)條件下優(yōu)化設(shè)計出“最具性價比”的試驗(yàn)方案，后者是在仿真應(yīng)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(yàn)技術(shù)在試驗(yàn)器設(shè)備改造流程中應(yīng)用的思路

如圖2所示，該圖展示了虛擬試驗(yàn)仿真技術(shù)在設(shè)備改造流程中的應(yīng)用。與在正常試驗(yàn)流程中類似，需要在改造方案實(shí)施前對該方案進(jìn)行虛擬仿真應(yīng)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(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)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(dǎo)作用。

3應(yīng)用虛擬試驗(yàn)技術(shù)所能達(dá)到的預(yù)期成果

（1）能夠建立一套虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)體系，使其能夠與現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)相互作用、共同發(fā)展，如圖3所示。（2）能夠進(jìn)行不同試驗(yàn)方案之間的對比，優(yōu)化試驗(yàn)方案設(shè)計，節(jié)省試驗(yàn)成本。（3）虛擬試驗(yàn)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(yàn)積累，最終實(shí)現(xiàn)減少現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)次數(shù)，替代部分現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)，節(jié)省試驗(yàn)成本的同時達(dá)到降低試驗(yàn)風(fēng)險的目的。（4）虛擬試驗(yàn)可以進(jìn)行試驗(yàn)工裝強(qiáng)度及關(guān)鍵尺寸校核，提高試驗(yàn)效率，提升試驗(yàn)設(shè)計質(zhì)量。

4虛擬試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用舉例

通過工業(yè)軟件仿真對該支架進(jìn)行拓?fù)浣Y(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(yàn)技術(shù)目前在國內(nèi)工程科研試驗(yàn)驗(yàn)證領(lǐng)域還未得到足夠的認(rèn)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(yàn)技術(shù)在零部件性能與強(qiáng)度試驗(yàn)領(lǐng)域應(yīng)用的角度入手提出了兩個應(yīng)用思路，希望能起到拋磚引玉的作用，為廣大試驗(yàn)技術(shù)從業(yè)人員開闊思路、技術(shù)創(chuàng)新提供一點(diǎn)幫助。

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作者：呂頌 單位：中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所強(qiáng)度試驗(yàn)研究室