【工業(yè)研究論文】PLM工業(yè)軟件下的工程科研虛擬試驗技術(shù)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(jìn)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(jī)輔助試驗設(shè)計(CATD)及試驗器設(shè)備改造中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：虛擬試驗技術(shù)；PLM；計算機(jī)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(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環(huán)境進(jìn)行教學(xué)研究，使得學(xué)生能夠擺脫現(xiàn)實客觀試驗條件的束縛，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(yīng)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(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，C919大型客機(jī)的試飛工作應(yīng)用了虛擬試驗技術(shù)。由于航空發(fā)動機(jī)的特殊性與重要性，虛擬試驗驗證技術(shù)在地面試驗中應(yīng)用較少，尤其是在零部件性能試驗與強(qiáng)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(qiáng)度試驗專業(yè)領(lǐng)域開展虛擬試驗驗證技術(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(dǎo)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(fēng)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(yīng)用研究。1虛擬試驗技術(shù)在試驗流程中應(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(yù)測等。如果再加上最初的試驗方案計算機(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)輔助試驗設(shè)計(CATD)系統(tǒng)。該項目在正常試驗流程中的應(yīng)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(biāo)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(qiáng)度試驗或性能試驗)，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(yīng)試驗條件下仿真結(jié)果，來校核試驗方案的可行性與準(zhǔn)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(zhǔn)確性，降低試驗風(fēng)險。（4）試驗結(jié)果預(yù)測：這部分是在試驗通過評審正式開展前，通過仿真進(jìn)行試驗結(jié)果的初步預(yù)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(dá)到數(shù)量級上的一致性。上述四個步驟構(gòu)成了虛擬試驗技術(shù)的基本流程，而計算機(jī)輔助試驗設(shè)計(CATD)系統(tǒng)還包括計算機(jī)輔助試驗方案設(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(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虛擬試驗技術(shù)在試驗器設(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仿真技術(shù)在設(shè)備改造流程中的應(yīng)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(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(dǎo)作用。3應(yīng)用虛擬試驗技術(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(jìn)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(dá)到降低試驗風(fēng)險的目的。（4）虛擬試驗可以進(jìn)行試驗工裝強(qiáng)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(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(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。本文從虛擬試驗技術(shù)在零部件性能與強(qiáng)度試驗領(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，為廣大試驗技術(shù)從業(yè)人員開闊思路、技術(shù)創(chuàng)新提供一點幫助。參考文獻(xiàn)：1文福安.虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用J.中國教育信息化,2008(11).2陳益.PLM軟件在波音787上的應(yīng)用J.航空維修與工程,2007(4):44-45.3范鵬飛.車輛工程中虛擬試驗技術(shù)的應(yīng)用J.科技風(fēng),2017(17).4何志全.大型客機(jī)縫翼靜力試驗姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置設(shè)計J.機(jī)械設(shè)計與制造工程,2019,48(5).