MSC虚拟试验平台技术方案

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1、读万卷书 行万里路 1 MSCMSC 虚拟试验平台技术方案虚拟试验平台技术方案 1 1 前言前言 1.11.1 背景背景 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

2、水平和作战效率” 。 1.21.2 虚拟试验技术及其作用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

3、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

4、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 读万卷书 行万里路 2 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。 设计 制造 物理试验 投入生产 满足要求 设计 虚拟试验虚拟试验 投入生产 满足要求 制造 物理试验 满足要求 是 否 是 是 否 否 转变为 图 1

5、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

6、、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%。 读万卷书 行万里路 3 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 2 平台平台设计设计规划规划 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

7、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

8、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

9、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 读万卷书 行万里路 4 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 3 小

10、型小型虚拟试验平台虚拟试验平台方案方案 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

11、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 读万卷书 行万里路 5 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

12、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。 3.13.1 SimXpertSimXpert 模模板技板技术术 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。

13、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

14、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

15、自动化。 读万卷书 行万里路 6 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 读万卷书 行万里路 7 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

16、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。 3.23.2 小型虚拟试验平台方案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