1前言

1.1背景

十六大以来，我国的发展战略是工业化和信息化融合。针对装备制造业，就是工业化与信息化复合发展的战略。而虚拟试验技术在装备制造业信息化中占有举足轻重的作用，从某种意义上说，高技术含量的产品不是依靠设计或制造，而是靠着严格的试验和评定确认合格后才最终面世的。中航工业科技委科技研究部部长蔡小斌，在2011装备制造业信息化高峰论坛上指出，对于国防科技工业，“虚拟试验技术是国防科技先进工业技术的支柱之一，是国防科技工业基础能力的重要组成部分，决定着武器装备的研制水平和作战效率”。

1.2虚拟试验技术及其作用

虚拟现实试验是在长期积累的大量有关数据，如有关的动力学模型、各类三维模型的基础上，利用高性能计算机、网络环境、传感器或各种虚拟现实设备，建立能方便地进行人机交互的虚拟环境或虚实结合的环境，在此环境中对实体、物理样机或虚拟样机进行试验，用可视化的方法观察被视物体的性能及其相互间的关系，并对试验结果进行分析与研究。例如：虚拟风洞、虚拟发动机试车、虚拟试飞等。

从上述定义可以看出，虚拟试验的内涵主要涉及三方面内容：第一是试验手段，即试验所需仪器设备的虚拟；第二是试验对象的虚拟和仿真；第三是试验环境的虚拟和仿真。虚拟试验是虚拟现实结合的试验技术。在产品研制的不同阶段，构成虚拟试验的三方面虚实程度会发生变化。比如，在武器装备最初的要求确定和方案论证阶段，虚拟试验是开展试验的主要手段。由于尚无任何实物，用户和承包商根据军事需求建立装备模型，主要利用构造仿真手段在计算机上开展虚拟试验，确定装备的战技指标和选择最佳的保障方案，分析评估各种技术途径和备选方案的可能性，演示和评估关键子系统和部件的能力，为决策提供辅助支持；当装备采办进入系统研制和演示验证阶段（过去称工程与制造研制阶段）后，随着数据的不断积累，部件和分系统硬件的逐步增多，采用构造仿真和虚拟仿真（硬件在回路或人在回路仿真）相结合的方式开展虚拟试验成为主要手段，特别是在不可能进行重复的实物试验，却需要得到某些具有统计特性的总体技术指标时；或系统复杂，参试设备数量有限而实际系统不可能参与试验时，虚拟现实试验成为解决真实试验的这些瓶颈问题的重要工具，它可提供理想的仿真环境和系统性能响应的手段，帮助获得足够的性能统计和评价数据，加速型号的研制过程。

虚拟试验技术改变了传统的试验模式，改变了产品研发流程，如图1所示。

图 1 虚拟试验改变传统产品研发模式

表面上看，产品研发的步骤变多了。但实际上，制造和物理试验成本高、耗时长、准备工作多，均远远超过多次虚拟试验消耗时间与成本的总和。有了虚拟试验，在概念设计阶段、系统研制阶段，都可以进行验证，使得整个试验大大提前，实现设计、分析、试验验证的一体化。美国第四代战斗机的开发流程就是如此，即从刚开始的概念设计、几个模型、气动力的分析，一直到几何设计、技术状态冻结、状态的仿真设计，这几个阶段都先做了虚拟试验。虚拟试验可以降低研制风险，缩短研制周期。例如，美国F35的研制，从设计到飞行的试验全面数字化，使得研制周期比F22基本上缩短了一半，试飞、飞行架次减少了40%。F35原本计划提供13架试飞，由于采用了虚拟试验，真正试飞飞机只有11架，而且在时间上还比预期提前了，研制定型时间缩短了30%。

目前，对此技术研究时间最长、取得成果最多的是美国。在美国的军工、航天、航空等行业，虚拟试验的发挥着越来越重要的作用。虚拟试验是科技发展的必然趋势，是不可逆转的历史潮流。

2平台设计规划

从国内的发展现状来看，虚拟试验仍然是我们国家现在装备制造业信息化进程中的短板，尚没有得到广泛的应用。虽然我国从2004年就开始关注虚拟试验平台，但由于基础科研计划资源少，当时制定了一个从特殊到一般、再从一般到特殊的发展战略。在“十一五”期间针对第一个“特殊”，尝试了虚拟试验方法和技术的特别应用，取得了不错的效果，也坚定了“十二五”发展虚拟试验的决心。

平台的搭建不是一朝一夕完成的，需要科研人员、工程技术人员不断的努力、一步步地完成。从国内虚拟试验技术现状来，国内的虚拟试验技术有如下特点：

平台技术尚不成熟。还不能达到美国TENA系统的技术水平，不具备体系架构。因为虚拟试验的异构性极强，我国目前还达不到评价的要求，但能够达到验证需求。这一点在航天等领域已有过相关的尝试。

虚拟试验综合环境，特别是环境架构体系，如水下、多物理场环境和航空空中飞行环境，还未完全搭建起来。

实物数据和虚拟试验数据融合进行预估、对实物进行验证的能力，还与国际先前水平有较大差距。

鉴于国内当前的虚拟试验技术水平与发展现状，不少专家、领导、学者及技术人士提出了如下的发展路线：

先通过CAD、CAE工具搭建平台的最底层，即根据自身的需建立适合的建模仿真平台，在此平台上可以进行部门内部的设计——试验验证——修改设计——再试验验证这一针对具体部件的小型数字化虚拟试验平台。

引入虚拟试验环境。将国人传统的、以模型为试验重心的建模验模，放在虚拟试验环境中验证，从而考察真实环境、半真实环境或完全虚拟环境对模型的影响。在虚拟试验环境中的验证与评估，对生产有更实际的意义。

将小型数字化虚拟试验平台，与现有的产品平台或门户平台相集成，进而将它们整合成为类似美国TENA的、覆盖范围广的大型通用虚拟试验平台。

大型的虚拟试验平台还应该包含应用了虚拟现实技术的虚拟试验环境、虚拟测试平台等。建立大型虚拟试验平台，不是单个部门或企业的能力所能做到的，而应该在政府主导下组织国家级队伍进行产学研联合的攻关。美国政府也是在国会指导下，统管整个试验资源、确定最终研究目标，建立大型虚拟试验平台的。

图 2 大型虚拟试验平台

所以本文的后续章节，主要论述如何运用MSC.Software公司的CAE工具搭建最底层的小型数字化虚拟试验平台。

3小型虚拟试验平台方案

小型虚拟试验平台，是实现大型虚拟试验平台的基础。同时实现小型虚拟试验平台的技术也已经比较成熟，很多部门也具有多年的CAD建模、CAE仿真的经验，甚至有些已经做了相关的尝试。因此实现小型虚拟试验平台是可行的。

MSC.Software公司创建于1963年，总部设在美国洛杉矶，全球拥有1200多名员工，分布在23个国家和地区。它是世界领先的虚拟产品开发（Virtual Product Development 简称VPD）技术提供商。40多年来，MSC.Software强大的、集成化的VPD软件和服务帮助企业界在产品开发过程中改善产品的设计、测试、制造和服务流程，从而更快、更高效地推出新产品，在激烈的市场竞争中领先对手。

MSC.Software公司总结多年的CAE经验发现，很多的CAE分析是具有共性的，即分析过程相似、分析模型相似、前后处理操作相似等等。这些相似工作，对于CAE工程师而言，几乎都是重复性的体力劳动。它消耗了CAE工程师大量的精力与时间，却没有技术创新。如果这类分析流程可以固化及重现，即保存分析流程和流程的自动化运行，这不仅将CAE工程师从重复性的体力劳动中解放出来，让工程师们可以集中精力与时间处理新的工程问题或实现技术创新，而且自动化运行的时间也远少于从头至尾手工操作的耗时。

经过多年的研究与尝试，MSC.Software创造性的实现了流程捕获与自动化技术——模板技术，并将它们植入于2006年9月发布的、针对企业分析工程师量身定制的、下一代多学科仿真平台MSC SimXpert。SimXpert具有很多的亮点，如统一的多学科仿真用户环境、支持与原生CAD模型的双向互动等。但对于虚拟试验平台方案，模板技术无疑是实现平台的关键。

3.1SimXpert模板技术

SimXpert模板技术，是捕获、创建、修改、重现专家经验与最佳实践方案的流程自动化技术。采用SimXpert的仿真模板创建和运行功能，分析专家可以将原来需要手动执行的重复性分析工作进行自动化，从而显著地节约分析时间，提高分析效率和消除分析误差。分析工程师可以通过方便易用的仿真模板进行知识和最佳分析方法捕获，定制企业级的标准分析流程，保证整个企业CAE分析流程的一致性和连贯性。

传统的CAE软件，不少也支持保存宏（Macro）或会话（Session）等脚本，重新执行代码也可以达到重现操作的效果。但是这种方式是基于调用内置的命令函数代码的，如要针对不同模型做相同操作，每次都要改动脚本文件。而且它还要求使用者对软件使用的函数等十分熟悉，否则就很难做出调整。这一缺点说明这类软件并没有达到真正意义上的流程自动化。

SimXpert产品的架构设计，就已经充分地考虑了如何更好地用模板技术实现真正的流程自动化。SimXpert将CAE过程用到的操作步骤做成了一个模块，比如用户点击分网操作，实现上调用分网功能模块，用户所看到的如图4的分网操作界面是封装在此模块内的。而模板文件所记录的不再是类似传统CAE软件的命令行，而是调用的模块名称和用户输入的参数以及模板调用的顺序。这样当重新运行模板时，就会按用户的操作顺序依次运行各个功能模块，而用户可以随时在这些模块操作界面上修改模板记录的输入参数。从而实现真正的流程自动化。

图 3 分网操作界面

“图4 SimXpert模板架构”就清晰的展示了SimXpert模板技术的架构与使用流程。其中SimManager是MSC公司出品的仿真数据管理平台。SimXpert可以与它无缝集成，发布、取回运行数据库中的模板以及使用数据库内的模型。

图 4 SimXpert模板架构

基于SimXpert的模块式架构，在SimXpert Template Builder工作区中，用户使用简单的“拖拽”操作，就可以将标准动作模块（Action）组合和连接，从而快速建立可视化的工作流程。在此过程中用户并不需要了解程序设计和脚本语言知识。SimXpert还提供宏录制功能将专家的分析操作过程完全捕获，并自动生成相应的分析模板，大大简化了模板的创建过程。如果用户具备一定的程序设计和脚本语言知识，用户可以通过编写脚本定制动作模块，扩展标准库功能，完成更为复杂的自动化流程。

3.2小型虚拟试验平台方案

此章节将通过一个虚拟试验平台的样例介绍MSC公司是如何使用模板技术建立小型虚拟试验平台的。这个样例虽然并不庞大，但是它清晰地展示出虚拟试验平台的通用性需求是如何实现的。

图 5 虚拟试验平台样例

此虚拟试验平台针对某航天部门的振动试验。试验模型是航天器+夹具+振动台。航天器由固定在振动台上的夹具夹紧，振动台提供激振力。综合考虑振动试验的需求，将虚拟振动平台分析流程拆分为以下几大主要功能模块：

模型导入与综合模块

控制传感器粘贴模块

虚拟试验仿真计算模块

与物理试验数据对比评价模块

模型修正模块

试验报告模块

整体虚拟试验提交数据库

振动试验的整体流程如下图所示：

图 6 试验流程

虚拟振动试验流程完全由SimXpert的模板实现。用户在SimXpert中启动虚拟试验模板，按照提供的向导界面逐步地完成整个虚拟振动试验分析过程。具体过程是：

从数据库或本机读取模型文件，导入与综合振动台、夹具、航天器有限元模型，生成虚拟试验所需的整体分析模型；

粘贴控制传感器：设定载荷加载点、加速度控制点、响应限幅控制点、力限控制点、测量点等；

输入低量级试验条件与参数在客户端提交MD Nastran虚拟仿真分析计算，并查看分析数据结果

与物理数据对比评价，决定是否要模型修正；

如果要修正模型，则执行模型修正算法，再对修正后的模型，输入高量级试验参数，重新在客户端执行虚拟试验分析计算；否则直接按线性比例关系直接由低量级数据结果生成高量级数据结果；

与高量级数据的物理试验数据作对比评价

生成试验报告，完成本机的虚拟试验分析

将已完成的虚拟试验项目中的数据，有选择地上传到数据库，以备使用。

以下对每个主要功能模块做详细阐述。

3.2.1模型导入与综合模块

模型导入与综合模块：是为虚拟振动试验准备要分析的整个振动台+夹具+航天器有限元模型，它包含的子模块如图7所示：

图 7 模型导入与综合模块

它包含了振动台模型导入、振动台+夹具模型导入、夹具模型导入 、航天器模型导入、模型综合功能以及专门针对未在试验中使用过的新夹具做的夹具分析模块。

3.2.1.1振动台模型导入

振动台模型具有垂直和水平两种模型，用户在界面上选择振动台形式，系统自动导入振动台模型。

用户在执行流程步的时候根据具体情况选择振动台类型。两种形式的振动台都保存在试验管理数据库中的振动台模型库中，以MD Nastran的bdf格式保存，节点和单元定义遵循统一的命名规则，模型应具有相应的材料和单元属性信息。

图 8 初始导入设定

图 9 导入振动台

图 10 打开模型文件（*.bdf）

图 11 振动台示例模型

3.2.1.2振动台+夹具模型导入

如果可以使用已经过物理或虚拟试验测试的振动台+夹具模型，用户也可直接从模型数据库中取用振动台+夹具模型（初始选择“整体导入”）。它也以MD Nastran的bdf格式保存，节点和单元定义遵循统一的命名规则，模型具有相应的材料和单元属性信息。用此方式导入后，可跳过夹具模型选择与夹具综合到振动台功能。界面与振动台单独导入相同。

图 12 振动台+夹具示例模型

3.2.1.3夹具模型导入与夹具分析

提供用户界面供用户在夹具数据库中选择已有夹具模型，同时具有夹具分析功能，可以进行新夹具模态分析、虚拟试验功能。如图13、14所示：

图 13 导入夹具界面

图 14 夹具示例模型

夹具模型通过专用的导入功能导入到试验数据库中夹具库存储起来，用户在执行夹具模型选择流程步骤时，直接在客户端选择夹具库中的夹具模型。夹具模型以MD Nastran的bdf格式保存，节点和单元定义遵循统一的命名规则，夹具模型存储时带有材料和单元属性信息。夹具模型和振动台、模型的连接节点遵循统一固定的命名规则，供程序自动查找。

夹具导入流程步骤提供界面供用户进行新夹具的模态分析，分析夹具的固有模态，包括定义夹具的边界条件等，客户端调用MD Nastran对夹具进行分析。分析结束后，可以读入MD Nastran的结果文件进行后处理，包括固有模态和振型的显示。该流程步集成夹具评价分析方法对夹具评价，结合《振动试验夹具设计导则》和夹具设计的经验，罗列夹具设计应该满足的各项条件和需要检查的事项，根据分析数据查看对比上述条件满足的情况，从而对夹具的设计给出评价。客户端直接通过Web-Services接口方式访问试验数据管理服务器。

3.2.1.4航天器模型导入

提供用户界面供用户选择本地MD Nastran的bdf模型文件或者试验数据库中的模型（如图15、16），在客户端绘制三维模型（点、线、面），存储材料属性、几何属性等模型参数。该模型可以通过客户端存储到试验数据库的模型库模块中，供后续虚拟试验使用。

图 15 导入航天器界面

图 16 航天器示例模型

该功能提供两种导入模型方式，一种为导入本地的MD Nastran模型；一种为直接到试验数据库中选择模型，系统自动解析bdf文件，在环境中绘制模型，同时将材料和属性信息构建起来，同时提供对导入模型的检查信息。模型为标准的MD Nastran模型，遵循其卡片格式，系统提供对MD Nastran模型的通用接口，该功能直接调用该接口。模型导入后系统自动对模型进行检查和总结，并提供检查和总结报告。

客户端提供完整的图形界面显示功能，用户可以直接在界面上使用系统提供的模型处理、Nastran接口和显示操作等功能。

3.2.1.5模型综合

它可以完成夹具综合到振动台、航天器综合到夹具+振动台两种需求。

此步骤程序会要求用户首先选取两组要装配的模型，然后根据预先定义好的定位点和连接形式完成选中模型装配的。 连接点应采用统一固定的命名规则方便程序自动查找。连接方式采用MD Nastran常用的连接方式，包括Glue（优先考虑）、RBE2、RBE3、螺栓连接等（具体采用的形式和用户讨论决定）。流程步骤还要提供用户手动选择装配位置点和功能。如下图所示：

图 17 选中振动台+夹具

3.2.2控制传感器粘贴 

该功能提供界面（如图18）供用户交互设计载荷加载点、加速度控制点、响应限幅点、力限控制点、测点等。点位置信息可以从数据库中调用，新设定的点信息也可以存储到数据库中。

图 18控制传感器粘贴整体界面

点包括载荷加载点、响应控制点、测量点和约束点，每个点在数据库中存储包括点的类型、点的位置、点的描述和点在试验、分析中不同的表现形式等。用户可以在界面上直接选择存储在数据库中的点，也可以手动在模型上选择点，然后存储到数据库中，供其他试验分析使用。

点的信息和命名遵循统一标准的命名规则。

此步骤中还可以添加虚拟点与物理试验实际点的映射关系。

3.2.3虚拟试验仿真分析计算

它主要进行求解运算与结果数据的后处理显示，其主要流程如图19所示：

图 19虚拟试验仿真分析计算

由于低量级与高量级试验在仿真分析计算时区别只是在于试验条件与参数的数值有所不同，所以低量级、高量级试验均由此功能模块完成试验条件与参数设置、提交MD Nastran计算、结果读取与后处理的分析步骤。首次运行时应指定为低量级计算，稍后的都应指定为高量级（高量级时要设定比例系数）。初始界面如下图所示：

图 20选择高量级试验

其子模块的功能如下所述：

3.2.3.1试验条件、试验参数设置

该功能提供统一界面（如图21所示）供用户设计虚拟试验条件，包括：

加速度控制试验条件、参数：包括试验频率范围、加速度幅值、加速度方向、设置压缩系数、扫频速率；

响应限幅加速度条件：包括频率范围、加速度幅值、加速度方向；

力限控制条件、参数：力限控制谱，包含试验频率范围、力限幅值、力限方向等。

图 21 加速度参数设定

设置的试验条件和参数信息可以存储到试验条件数据库中。

3.2.3.2预测高量级试验条件

在高量级虚拟试验计算中，系统要参照低量级试验结果，对设定的高量级试验条件按预测方法做调整，得出符合要求的高量级试验条件。

系统就要根据用户预先指定的高量级条件比例系数、控制条件、限制幅度等参数调整输入：根据比例系数，放大响应输入条件；根据限幅和控制条件修正响应输入曲线。这就为随后的计算准备好有效的输入数据。

3.2.3.3生成结果数据

在模型无须从修正的条件下，不同量级虚拟试验结果与试验条件为线性比例关系，可以直接由试验条件、之前的计算结果直接生成新试验条件下的结果数据。从而跳过费时的虚拟试验仿真计算，显著节约时间。

3.2.3.4虚拟试验仿真计算

该功能用来进行虚拟试验计算，如图22所示，包括：

图 22 提交计算

调用MD Nastran计算：读取*.bdf文件，直接对生成的虚拟振动试验模型文件计算。

读取MD Nastran的结果文件：客户端可以解析MD Nastran的f06、op2、xdb等格式的结果文件（F06为文本结果文件，op2是二进制文件）。

集成控制系统、功放系统、信号调节系统和虚拟振动开/闭环仿真计算。功放系统、信号调节及放大系统、加速度传感器系统皆为传递函数方式综合到求解文件中。

3.2.3.5虚拟试验回放演示

该功能用来对虚拟仿真的计算结果进行回放演示包括：

曲线动态显示；

模型振动动画显示。

效果如图23所示

图 23 回放演示

虚拟试验回放提供基于频域的频率——加速度曲线，该曲线由用户选择测点，自动根据计算结果生成曲线；提供基于频域变化的位移响应的云图。两种结果支持在同一界面下显示，同时提供动画功能，曲线和响应云图动态同步显示。客户端提供标准的后处理功能，包括

对曲线生成、处理、查看、定义X、Y坐标内容，选择曲线显示的模式，可以进行对曲线或其上的点的选取并显示，曲线缩放、峰值查询，选取和统计汇总功能，可进行曲线加减乘除、曲线积分、插值，多条曲线平均操作等功能；

对结果的云图生成、显示、振动响应显示等。

3.2.4与物理试验数据对比分析

该功能用来读取物理试验数据*.unv文件，与虚拟试验进行对比分析，如图24所示：

图 24 与物理试验数据对比分析

其程序界面如图25：

图 25 曲线比对

客户端读取物理试验数据，对数据进行解析，生成曲线和虚拟振动试验的结果曲线进行对比分析。集成试验评价方法，评价试验结果是否满足设计的要求；需要对物理试验数据、虚拟试验数据和试验要求对比，分析各项指标完成的情况，给出对试验的整体评价。

3.2.5模型修正

该功能为用户提供界面对模型进行修正，其主要包括如图26所示：

模型修正参数选择，指定要修正的目标变量，如杨氏模量、灵敏度系数等；

调用MD Nastran、Matlab或集成模型修正算法；

保存载入修正后的模型。

图 26 模型修正

模型修正方法可以根据试验数据与分析数据的对比情况来调整模型，使得分析数据更加接近试验数据，分析结果更加可靠。模型修正主要方法有：

基于模态的模型修正；

基于频响函数的模型修正；

基于基础激励响应的模型修正。

由于基于模态和频响函数的模型修正算法，对于这类大型结构，而且试验数据又只有正弦扫频数据的情况下不太适用。所以在虚拟振动试验系统中主要采用基于基础激励响应的模型修正算法。该功能集成MD Nastrana或者Matlab进行修正，也可以直接集成模型修正方法到客户端中。

界面如图27所示：

图 27 模型修正

3.2.6报表统计，形成虚拟试验报告

该功能根据用户的报告模板，利用office接口生成虚拟振动试验的报表统计和虚拟试验报告，报告为doc格式、报表为xls格式。报告和报表都存储在试验数据管理系统中，供后续工作和新型号任务参考说明。界面如图28所示。

图 28 报告输出界面

3.2.7整体虚拟试验提交到数据库

在SimXpert客户端完成试验数据提交到SimManager数据库。

4结论与展望

本文介绍了MSC公司针对国内正在发展的虚拟试验平台的解决方案。解决方案主要使用SimXpert模板技术达到仿真试验流程的固化与自动化。每次试验只是选用不同的模型重复同样的试验步骤，根据后处理结果以及与实际数据的对比，验证评价设计方案。

如前所述，这种平台只是未来大型虚拟试验平台的基础。通常情况下，优先的后续动作应该是：

数据管理平台的集成。虚拟试验会产生大量的数据，这必然要求实施仿真数据管理（Simulation Data Managerment，SDM）平台管理海量的试验数据。这也是要优先考虑SDM平台的原因。由于MSC SimManager与SimXpert可以无缝集成，此方案建议采用SimManager做为SDM平台。实际上，它并不局限于仅管理仿真数据以及试验数据、相关文档、试验报告等数据。从目前已有的平台实施情况来看，SimManager也是很优秀的项目开始管理平台。它的项目创建与管理、参与人员角色与权限管理、分析流程自定与安排、数据浏览与审查、数据谱系追踪等特色功能，使得它从众多SDM平台中脱颖而出，成为很多航天、航空、汽车等行业重要客户的首选SDM平台。

高性能计算平台的集成。对于复杂的模型，集成高性能计算平台可以显著的减少运算时间，计算更加高效。

从单个平台来看，随着虚拟现实技术（Virtual Reality）的发展，未来平台还可以整合虚拟现实技术。试验者可以在虚拟现实环境身临其境地观察虚拟试验。从宏观战略上，企业范围内甚至行业范围内、国家范围内整合多个虚拟试验环境形成统一的、系统级的虚拟试验系统。

综上所述，MSC公司的模板技术已能够实现小型虚拟试验平台。再辅之以SimManager数据管理平台，它已可以满足科室级甚至部门级的专向的虚拟试验要求。但是从设计到实施虚拟试验平台，还需要在较长时间内双方共同的努力。我们想念MSC能够强力助推我国“十二五”虚拟试验的发展，加速我国的装备制造业信息化进程。