PLM工業(yè)軟件下的工程科研虛擬試驗技術

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

關鍵詞：虛擬試驗技術；PLM；計算機輔助試驗設計(CATD)；設備改造；概述

虛擬試驗技術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，已經應用在產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。國內工程實踐領域內的虛擬試驗技術在電子元件研發(fā)制造與車輛工程領域最先應用，汽車研發(fā)中心利用虛擬試驗技術測量分析輪胎在不同環(huán)境下的運行數據、研究車輛的操縱穩(wěn)定性，對車輛的生產環(huán)境進行仿真解決系統(tǒng)對駕駛員特征難以實現精確表述的困難，在安全性方面對車輛的碰撞與翻轉進行虛擬試驗仿真完善設計。在國內航空領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。由于航空發(fā)動機的特殊性與重要性，虛擬試驗驗證技術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)領域開展虛擬試驗驗證技術與仿真應用的研究是很有意義的，它可以與現實試驗技術構成“數字與現實并行孿生雙胞胎”，二者互相指導互相完善，能夠加快試驗設計流程，提升試驗設計質量，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，虛擬試驗技術主要由四部分構成，即試驗工藝裝置設計、試驗方案校核、試驗前評審與試驗結果的初步預測等。如果再加上最初的試驗方案計算機輔助設計與測試方案計算機輔助設計，就構成了比較完善的計算機輔助試驗設計(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）試驗工藝裝置設計：這部分的主要思路是搭建一套基于參數化設計常用的試驗工裝零部件數據庫，方便設計人員針對不同的試驗參數要求有的放矢地選用，提升設計效率。最終的目標的數據庫可以實現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的核心與關鍵，主要思路是針對不同專業(yè)領域的試驗(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)，搭建一個針對現有試驗條件的虛擬仿真平臺供設計人員使用。最終的目的是不同的試驗參數要求可以快速得到相應試驗條件下仿真結果，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果可以作為試驗前技術評審和安全評審的客觀依據支撐試驗方案設計的準確性，降低試驗風險。（4）試驗結果預測：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果達到數量級上的一致性。上述四個步驟構成了虛擬試驗技術的基本流程，而計算機輔助試驗設計(CATD)系統(tǒng)還包括計算機輔助試驗方案設計與計算機輔助測試方案設計，前者是依托人工智能(AI)在現有試驗條件下優(yōu)化設計出“最具性價比”的試驗方案，后者是在仿真應用較完善的基礎上選取最佳的測試位置與測試方法等。

2虛擬試驗技術在試驗器設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在設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，需要建立試驗設備與試驗用儀器儀表在虛擬環(huán)境中的參數數據庫以便調用，最終目的是建立完善的設備與儀器儀表仿真參數數據庫，能夠對設備改造起到一定的指導作用。

3應用虛擬試驗技術所能達到的預期成果

（1）能夠建立一套虛擬試驗驗證技術體系，使其能夠與現實試驗驗證技術相互作用、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，經過經驗積累，最終實現減少現實試驗次數，替代部分現實試驗，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鍵尺寸校核，提高試驗效率，提升試驗設計質量。

4虛擬試驗技術應用舉例

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

5結語

虛擬試驗技術目前在國內工程科研試驗驗證領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在零部件性能與強度試驗領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，為廣大試驗技術從業(yè)人員開闊思路、技術創(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