PLM工业软件下的工程科研虚拟试验技术

摘要：本文以产品全生命周期（ProductLifecycleManagement，PLM）工业软件为平台，对工程科研领域的虚拟试验技术进行了介绍，阐述了其与现实试验验证技术之间相辅相成的关系，同时，对其在计算机辅助试验设计(CATD)及试验器设备改造中的应用进行了展望。

关键词：虚拟试验技术；PLM；计算机辅助试验设计(CATD)；设备改造；概述

虚拟试验技术最早应用在大中院校，是在计算机系统中搭建各种虚拟的试验环境进行教学研究，使得学生能够摆脱现实客观试验条件的束缚，取得更好的学习与训练效果。国外专家学者得到灵感，将该技术优化发展并应用于工程实践中，取得了迅猛的发展，已经应用在产品研制周期的全过程中。典型的案例就是波音787宽体客机的大型试验均在虚拟环境中进行，使得研制风险大大降低，研制周期也相应地得到了缩短。国内工程实践领域内的虚拟试验技术在电子元件研发制造与车辆工程领域最先应用，汽车研发中心利用虚拟试验技术测量分析轮胎在不同环境下的运行数据、研究车辆的操纵稳定性，对车辆的生产环境进行仿真解决系统对驾驶员特征难以实现精确表述的困难，在安全性方面对车辆的碰撞与翻转进行虚拟试验仿真完善设计。在国内航空领域的应用近几年刚刚起步，C9型客机的试飞工作应用了虚拟试验技术。由于航空发动机的特殊性与重要性，虚拟试验验证技术在地面试验中应用较少，尤其是在零部件性能试验与强度试验专业领域。某些情况下，零部件试验的试验环境无法100%真实地模拟试验件实际的工作状态，这主要是受到现实试验条件的制约及试验流程各个环节误差因素的累计放大等因素的影响。因此，在零部件性能与强度试验专业领域开展虚拟试验验证技术与仿真应用的研究是很有意义的，它可以与现实试验技术构成“数字与现实并行孪生双胞胎”，二者互相指导互相完善，能够加快试验设计流程，提升试验设计质量，节省试验成本，降低试验风险，提高试验效率等。值得一提的是，本文所述的虚拟试验技术不仅仅是试验件真实工作环境条件下的仿真分析，还可以是针对现有试验条件与试验方案的仿真对比应用研究。

1虚拟试验技术在试验流程中应用的思路

如图1所示，该图简要展示了正常的试验开展流程，从图中可以看出，虚拟试验技术主要由四部分构成，即试验工艺装置设计、试验方案校核、试验前评审与试验结果的初步预测等。如果再加上最初的试验方案计算机辅助设计与测试方案计算机辅助设计，就构成了比较完善的计算机辅助试验设计(CATD)系统。该项目在正常试验流程中的应用也从这几个部分入手：（1）试验工艺装置设计：这部分的主要思路是搭建一套基于参数化设计常用的试验工装零部件数据库，方便设计人员针对不同的试验参数要求有的放矢地选用，提升设计效率。最终的目标的数据库可以实现SiemensNX建模中重用库的功能。（2）试验方案校核：这一部分是虚拟试验技术的核心与关键，主要思路是针对不同专业领域的试验(强度试验或性能试验)，对不同的仿真软件进行二次开发(如Siemens公司的Simcenter3D、NXNastran或StarCCM+等)，搭建一个针对现有试验条件的虚拟仿真平台供设计人员使用。最终的目的是不同的试验参数要求可以快速得到相应试验条件下仿真结果，来校核试验方案的可行性与准确性。（3）试验前评审：试验方案校核中的仿真结果可以作为试验前技术评审和安全评审的客观依据支撑试验方案设计的准确性，降低试验风险。（4）试验结果预测：这部分是在试验通过评审正式开展前，通过仿真进行试验结果的初步预测，防止在试验实施过程中走弯路。最终目的是能够和真实试验结果达到数量级上的一致性。上述四个步骤构成了虚拟试验技术的基本流程，而计算机辅助试验设计(CATD)系统还包括计算机辅助试验方案设计与计算机辅助测试方案设计，前者是依托人工智能(AI)在现有试验条件下优化设计出“最具性价比”的试验方案，后者是在仿真应用较完善的基础上选取最佳的测试位置与测试方法等。

2虚拟试验技术在试验器设备改造流程中应用的思路

如图2所示，该图展示了虚拟试验仿真技术在设备改造流程中的应用。与在正常试验流程中类似，需要在改造方案实施前对该方案进行虚拟仿真应用以校对方案的正确性与可执行性，不同的是，需要建立试验设备与试验用仪器仪表在虚拟环境中的参数数据库以便调用，最终目的是建立完善的设备与仪器仪表仿真参数数据库，能够对设备改造起到一定的指导作用。

3应用虚拟试验技术所能达到的预期成果

（1）能够建立一套虚拟试验验证技术体系，使其能够与现实试验验证技术相互作用、共同发展，如图3所示。（2）能够进行不同试验方案之间的对比，优化试验方案设计，节省试验成本。（3）虚拟试验可以覆盖所有工况(包括一些非正常工况、极限工况和危险工况等)，能够获取全面的测量信息，经过经验积累，最终实现减少现实试验次数，替代部分现实试验，节省试验成本的同时达到降低试验风险的目的。（4）虚拟试验可以进行试验工装强度及关键尺寸校核，提高试验效率，提升试验设计质量。

4虚拟试验技术应用举例

通过工业软件仿真对该支架进行拓扑结构优化设计，在保证满足承受指定载荷的前提下得到了相对简单、轻量化的结构方案。

5结语

虚拟试验技术目前在国内工程科研试验验证领域还未得到足够的认可与重视，不过，随着自动化与信息化的普及，其必定会逐渐走上工业化的舞台崭露头角。本文从虚拟试验技术在零部件性能与强度试验领域应用的角度入手提出了两个应用思路，希望能起到抛砖引玉的作用，为广大试验技术从业人员开阔思路、技术创新提供一点帮助。

参考文献：

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[4]何志全.大型客机缝翼静力试验姿态调节装置设计[J].机械设计与制造工程,2019,48(5).

作者：吕颂 单位：中国航发沈阳发动机研究所强度试验研究室