系統仿真在機械類產品試驗中的應用初探

段建國 上海電氣集團股份有限公司中央研究院數字化設計研究室（200070）

段建國（1980年～），男，博士研究生，工程師，主要從事系統仿真與虛擬試驗的研究工作。

0 引言

系統仿真是以相似原理、模型理論、系統技術、信息技術以及應用領域相關專業技術為基礎，以計算機系統、物理效應設備及仿真器為工具，利用模型參與已有或設想的系統進行全生命周期活動的一門多學科的綜合性技術。由于提供了由定性到定量，由模糊到精確，由直覺到科學的工具，從20世紀50年代至今，系統仿真技術極大地推動了機械類產品尤其是高端裝備產品的設計研發工作。美國波音飛機公司的波音777飛機是世界上首架以無圖樣方式研發及制造的飛機，其設計、裝配、性能評價及分析均采用了系統仿真技術，不但使研發周期大大縮短(其中制造周期縮短50% )、研發成本顯著降低(如減少設計更改費用94%)，而且確保了最終產品的一次成功。通用動力公司1997 年建成了第一個全數字化機車虛擬樣機，并行地進行產品的設計、分析、制造及夾具、模具工裝設計和可維修性設計。日產汽車公司利用虛擬樣機對其眾多車型進行了概念設計、包裝設計、覆蓋件設計、整車仿真設計等。目前從飛機（波音777、空客A380）到汽車（福特、大眾、日產）、從航空母艦（美國海軍新一代航母CVN21）、載人太空探索飛船（美國NASA）到高速列車（西門子），系統仿真技術已經成為提升產品開發能力的關鍵技術。

裝備產品是典型的集機械、電子、液壓、信息及控制等技術于一體的科技密集型復雜產品系統，在技術基礎及創新資源落后于國外競爭對手的背景下, 對于中國裝備制造企業而言，為完成產品開發，客觀上要求企業整合、利用一些先進的設計方法和手段實現高端裝備設計制造的跨越式發展。結合了計算機技術、網絡通信技術和虛擬現實技術的現代仿真技術由于自身的優越性必將成為改造、提升我國傳統制造業的重要手段。通過建立柔性化仿真平臺，實現全系統、全過程、全模式的數字化仿真，完成系統的柔性化集成、測試和仿真評價，在降低研發成本、減少研發風險的同時，實現產品質量和研發效率的提升。尤其是在產品試驗領域，基于系統仿真技術的數字化虛擬試驗技術相比較于傳統試驗手段更加具有無可比擬的優勢，也是未來裝備研發領域極具發展潛力的方向之一。

1 系統仿真概述

系統仿真基本流程如圖1所示，首先建立系統模型，其次在計算機上實現模型的仿真，并進行仿真試驗，獲得仿真結果，然后分析評價仿真結果，修正仿真模型，直至結果滿足規定的指標要求。

圖1 仿真基本流程

對系統仿真而言，‘仿’是手段，‘真’是目標。只有當仿真結果能真實反映實際物理系統的關鍵性能指標時，仿真才有意義。因此，系統仿真的關鍵就是根據實際需求建立精確的數學模型和仿真模型。其中，數學模型是根據仿真目的建立的能夠反映系統各組成部分精確依存度的數量關系，而仿真模型則是采用仿真算法或通用程序語言將系統的數學模型轉化為計算機能夠接受的技術程序。作為一門發展迅速、應用廣泛且多學科綜合的技術，系統仿真技術正在逐步滲透到產品制造的全生命周期，可用于需求分析、方案論證、概念設計、詳細設計、生產制造、試驗評估、使用維護和人員培訓等產品設計、制造和使用維護的全過程，如圖2所示。在現代高科技裝備的設計、制造和維護過程中，系統仿真技術更是發揮著不可替代的作用。從圖3可以看出，在一些理論分析復雜或無法獲取理論分析結果，以及試驗代價昂貴或無法進行試驗的情況下，系統仿真作為繼理論分析和試驗研究的第三種認識和改造客觀世界的方法，呈現出很多不可替代的特質。

根據美國科學研究院工程技術委員會的測算：系統仿真技術可提高產品質量5～15倍，增加材料出品率25%，降低工程技術成本13%～30%，降低人工成本5%～20%，提高投入設備利用率30%～60%，縮短產品設計和試制周期30%～60%等。系統仿真技術雖已廣泛應用于產品的設計、制造領域，但在產品試驗領域的應用還很少，這是系統仿真技術一個嶄新而又前景廣闊的應用領域。因此，如何將系統仿真技術應用于產品試驗領域，輔助或替代傳統的試驗模式，對于提升我國裝備制造業的設計制造水平，實現企業的轉型發展具有十分重要的現實意義。

2 系統仿真與產品試驗

高端裝備具有工作環境苛刻、性能要求高、組成復雜等特點，其關鍵零部件、子系統甚至整機在定型之前需要進行大量的試驗，以驗證產品結構設計、材料選用、制造工藝等方面的合理性。傳統的試驗通常在物理試驗臺或實物樣機上進行。對于大型裝備而言，一臺實物樣機動輒就要花費上百萬元，花費巨大，且搭建時間也較長，甚至還要面臨設計失敗的風險；大型試驗臺的搭建同樣需要花費較長的時間和較多的費用，而且有時在物理試驗臺上并不能完全測定所需要的性能。

由于以上問題的推動以及仿真技術和高性能計算技術的發展，一種模擬傳統試驗的各操作環節及試驗環境，使試驗者可以像在真實環境中進行試驗項目的虛擬試驗應運而生。比如德國GET集團（Global Engineering Technology Group）針對不同的試驗背景，開發了一系列虛擬試驗環境—數字振動臺、虛擬力學測試環境、虛擬噪聲測試系統用來進行各種虛擬力學試驗；美國工程技術合作公司在考慮整車系統各類非線性的基礎上開發了汽車虛擬試驗平臺，用來對整車性能進行預測。作為一種新的認識產品特性的手段，虛擬試驗可以輔助、部分代替甚至全部代替傳統試驗，具有很多傳統試驗不具備的優點：

(1) 可靈活、快速地更換試驗對象和試驗條件；

(2) 可以在相同的時間內“試驗”更多設計方案；

(3) 可以精確地設定所需量級的干擾因素，分別地和聯合地考察其影響，由此尋求解決方法，并對方法的效果做出檢驗；

(4) 除了給出試驗結果以外，還可隨時連續動態地、重復地顯示事物的發展，了解其整體與局部的細致過程；

(5) 可以顯示任何試驗都無法看到的發生在結構內部的一些物理現象；

(6) 促進試驗的發展，對試驗方案的科學制定、試驗過程中測點的最佳位置、儀表量程等的確定提供更可靠的理論指導；

(7) 對于無法建立傳統試驗臺或建立傳統試驗臺需要大量資金投入的情況，如大型設備零部件或整機的試驗，可以采用虛擬試驗；

(8) 虛擬仿真大型軟件系統可以進行拷貝移植、重復利用，并可進行適當修改而滿足不同情況的需求。

在制造業競爭日趨激烈、利潤日益微薄的今天，采用虛擬試驗輔助甚至代替實物試驗完成相關產品零部件試驗，降低試驗成本、提高試驗效率，全面了解零部件特性，提高產品質量，已經成為產品開發的一種必要手段和必然趨勢。

3 數字化虛擬試驗臺

3.1 虛擬試驗臺預期功能及特征

數字化虛擬試驗臺是一個專業的性能分析軟件包，它擁有模塊化的子模型，可以根據實驗目的和要求以柔性化的手段搭建任意形式的虛擬仿真模型；具有自動化的仿真流程，可以按照試驗規程，在試驗臺上順利進行試驗；可以提供邊界條件設定、測點布置、數據處理、結果顯示、試驗過程演示、計算報告生成、系統管理等全部仿真工作流程要求的一系列功能。在虛擬試驗臺上，可以快速方便地進行產品試驗的仿真模擬，從而使設計人員能快捷地進行與試驗有關的分析項目，加快分析進程、規范輸出圖形、自動生成計算報告，提高其設計效率，同時降低對分析人員的技能要求。

要達到上面的要求，虛擬試驗臺必須具備以下特征：

(1) 具有豐富的軟件接口，可與主流三維建模軟件、虛擬樣機軟件、靜動特性分析軟件、液壓系統建模軟件以及控制軟件進行信息交流，實現聯合仿真。比如常用的控制系統仿真軟件MATLAB，三維建模軟件CATIA、SolidWorks、Pro/E，多體動力學仿真軟件ADAMS，虛擬現實仿真軟件3DVIA Studio、VRPlatform，有限元分析軟件Ansys、Abaqus、Nastran和流體動力學分析(CFD)軟件 Fluent、CFX、NUMECA，多學科仿真軟件SimulationX、ISignt、AMESim等。

(2) 可實現多領域物理系統的統一建模與協同仿真，具有開放、面向對象的多領域統一建模能力，可以跨越不同領域，方便地實現復雜物理系統的建模，包括機械、電子、電力、液壓、熱、控制及面向過程的子系統模型。多領域物理系統建模一般有三種方法：基于接口的方法、基于高層體系結構（HLA）的方法和基于統一建模語言的方法。前兩種方法由于需要人為地割裂耦合關系，針對不同的仿真應用配置不同的接口，編寫集成代碼，存在多個求解器補償協調問題。而基于統一建模語言的方法對來自不同領域的系統構建采用統一方式進行描述，可徹底實現不同領域模型之間的無縫集成和數據交換，是多領域物理系統建模的主流方法。Modelica是目前較為盛行的多領域物理系統統一建模語言。

(3) 具有開放的模型庫，用戶可以根據需求二次開發模型或利用已有模型滿足特定需求，所建模型具有重用性。描述模型的方程為中性形式，可不必考慮計算順序，能夠實現非因果聯系建模，有利于仿真模型的重用。

(4) 具有統一的虛擬試驗環境和平臺，能夠支持在統一的仿真框架上創建多個虛擬試驗運行的環境。對于特定類型、特定領域的試驗，可根據試驗目的和需求的不同個性化定制仿真流程，快速搭建數字化虛擬試驗平臺。

(5) 虛擬試驗平臺應能有機地融入到實驗過程中，為產品實驗提供驗證手段。依據不同的試驗特點，建立相互關聯的仿真平臺，生成性能先進的仿真環境，提供各類數字化模型、計算機仿真和分析工具，對數字化模型進行仿真、分析和處理。另外，數字化虛擬試驗平臺與半物理、全物理仿真平臺應有良好的接口關系，數學模型可以直接用實物來代替，能夠實現由數學仿真到半物理仿真直至到全物理仿真的快速、靈活、正確和無縫連接。

(6) 在仿真分析過程中，所有相關的數據應具有一致的數據結構，并能實現自動存儲。仿真分析完成后，所有中間數據和結果數據的前后繼承關系也應完全確定下來。通過一系列共享模型和數據庫，實現數據的自動處理、調用和融合；此外，還應具有分析模型自動生成功能，簡化仿真分析過程，提高工作效率。

(7) 能夠實現虛擬試驗的驗證分析、評估與參數修正。主要通過對虛擬試驗過程中采集到的數據以及物理試驗數據利用合理的數據處理技術進行分析評價，確定試驗模型的合理性。

3.2 虛擬試驗臺體系架構

根據對虛擬試驗臺的功能預期和特征要求，介紹虛擬試驗臺的技術路線與體系架構。

產品的數字化虛擬試驗過程包括系統建模、多學科仿真以及仿真結果的分析評估與優化三部分，其總體技術路線如圖4所示。數字化虛擬試驗臺是該技術路線一體化支持環境。

圖4 數字化虛擬試驗技術路線

在仿真建模階段，選擇具有多領域統一建模能力的建模語言，以及當前較為成熟的多工程建模與模擬工具。依據學科特點和其自身的物理特性，利用對象模型開發工具建立系統、子系統，甚至元器件模型，經過模型評估后，對系統、子系統和元器件模型進行封裝/測試，生成不同層次的模型模塊；在虛擬試驗階段，主要包括系統運行硬件環境的搭建，軟件環境的開發，仿真過程的運行管理，以及軟/硬件物理接口的開發，對系統的整體模型進行仿真；其中，物理接口主要用于硬件在環試驗或全物理試驗數據的實時采集與輸入，軟件接口則是用于和不同領域、不同功能的專業仿真分析軟件進行數據交互或聯合仿真。最后，利用仿真數據和合理的數據處理方法對系統的整體特性進行評估，清晰認識系統的內在特性，并利用多學科優化理論和算法，對產品進行優化，確定產品的參數。

數字化虛擬試驗臺是一種分層的體系結構，最底層為基礎環境層，包括模型資源層（模型庫和數據庫）、計算資源層（網絡資源、高性能計算資源和存儲設備）、軟件資源層（仿真工具和領域工具）、仿真和領域工具（CAD工具、有限元分析工具、不同學科的建模工具、項目管理工具，以及其他工具或自行開發的工具等）、仿真系統接口（硬件接口、模型接口和軟件接口）；基礎環境層之上為管理服務層，利用管理技術實現對仿真模型、數據、知識和過程的管理；管理服務層之上為建模與環境運行層，為仿真提供運行支撐環境和可視化環境，可實現高層建模、對象建模、模型測試、仿真評估、仿真運行管理、系統優化等功能；最上層為應用平臺層，直接面向用戶，提供友好的可視化應用和管理環境（見圖5所示）。

圖5 數字化虛擬試驗臺總體架構

4 技術難點

要滿足產品數字化試驗過程，獲取可靠的試驗數據，虛擬試驗臺總體上應具備建模方便、定制柔性、分析快速、分析可靠四個特點。要實現以上功能性指標，根據產品試驗特點，在其數字化虛擬試驗臺開發過程中應考慮以下問題：

(1) 在試驗過程中，為滿足性能要求，試驗平臺一般由分屬于機械、電子、控制、材料等不同學科的子系統組成。如何將合理解耦分解成一系列簡單子系統就成為實現試驗臺精確仿真必須解決的問題。

(2) 模塊模型應遵循嵌套原則，每個模塊都應提供明確的邊界和統一的接口特性，相互之間具備數學獨立性，適應復雜多變的拓撲結構形式和控制系統組態，可以按照實際要求以任何形式連接，組成裝備系統仿真模型。

(3) 模塊接口設計應采用與真實部件屬性相同的接口定義形式，增加仿真用接口，便于仿真過程中利用實物替換數學模型，實現由計算機仿真到半物理或全物理仿真的自然過渡。規范化的接口可不必了解模型的內部細節，方便仿真調用，增強系統的工程實用性。

(4) 系統模型庫采用模塊化構造，充分考慮模型庫的重用性、維護性和移植性，既可以根據需要修改某個模塊、增加新的功能以及重組系統的結構，同時以參數化方式方便各部件模塊的配置、刪減、擴充等。

(5) 系統建模過程需要考慮試驗臺的多學科屬性，要想模擬完整的試驗系統，必須將不同學科模型組合而成。不同的仿真模型可能采用不同的系統建模和仿真平臺，在進行系統集成仿真時，必須突破不同仿真軟件間接口和模型數據的共享技術。

(6) 不同的學科在數學建模過程中不但擁有獨特的建模方法、流程和工具，也涉及到紛繁復雜的多源異構知識，梳理并形式化仿真過程中用到的各種知識，提升現有經驗或理論知識對系統仿真的指導作用，也是一項十分繁重的任務。

(7) 隨著仿真工具的大規模應用，涉及到的軟件平臺、接口、數據也越來越繁雜，有效進行仿真數據管理成為企業亟待解決的難題。

(8) 系統仿真是系統運行的快速拍照，是系統運行過程的真實再現。如何設計合理的仿真算法，將系統中的復雜過程快速、完整、準確地在仿真中體現出來，這是仿真控制的核心問題。

(9) 系統仿真平臺應能有機地融入到產品實驗過程中，為產品數字化實驗提供虛擬試驗環境和驗證手段。依據不同的領域特點，建立相互關聯的試驗平臺，生成性能先進的仿真環境，提供各類數字化模型，利用計算機仿真和分析工具，對數字化模型進行仿真、分析和處理。

(10) 仿真系統作為原型系統的相似替代系統，仿真系統置信度與仿真數據分析的好壞最終將直接影響一系列后續應用和決策過程，因此，采用何種數據統計方法與模型以及實現置信度高精度評估就成為影響仿真系統工程應用的關鍵環節。

綜合上述分析可以看出，在產品試驗領域要實現系統仿真技術的良好運用，建立能夠近似模擬試驗臺系統運行機理，仿真其運行過程的產品數字化虛擬試驗臺，就必須解決一系列關鍵技術，如多學科建模、仿真與優化技術、仿真工具間接口和模型數據的共享技術、仿真流程管理技術、仿真知識建模技術與知識庫構建技術、模塊化模型庫開發技術、算法設計與算法庫構建技術、仿真模型評估技術、仿真數據分析與可視化技術等。

另外，還要針對具體的研究對象，解決相關領域的關鍵技術問題，如：對于滑動軸承試驗而言，最核心的是滑動軸承的靜態、動態特性建模技術。對于密封瓦密封性能試驗而言，最根本的是要研究轉子、軸承以及密封瓦之間的作用機理，建立三者高度耦合的數學模型。對智能微網進行仿真，必須解決其中的并離網控制策略、可靠性與穩定性分析等關鍵技術問題。只有借助于現有的仿真手段，并深入研究具有專業特色的相關技術問題，明確不同學科系統之間的作用機理，才能真正實現系統仿真技術在產品試驗領域中的有效應用。

5 前景展望

多年來，為了充分了解產品特性，保證產品質量，國內外的眾多裝備制造企業均建立了一系列大型試驗臺，比如廣泛應用于汽車、航空航天、電子和通用機械等領域的大型振動試驗臺，液壓傳動試驗臺，各類大型泵閥試驗臺等。上海電氣十分注重產品質量的提升，為此專門耗費巨資建立了滑動軸承試驗臺、動平衡機、核級材料與設備試驗平臺、船舶電力推進試驗平臺等諸多試驗平臺。伴隨著產業的轉型發展，為滿足新產品的設計研發要求，必將需要建立更多、更大、更復雜的試驗平臺，對集團而言是一個不小的負擔。

系統仿真技術和高性能計算技術相結合，正在成為繼理論研究和試驗研究之后的第三種認識和改造客觀世界的重要方法。如何讓系統仿真技術在我國的裝備制造業領域尤其是傳統試驗領域發揮其應有的作用，輔助甚至替代傳統的試驗手段，已經成為當前裝備制造領域的一個重要課題，也是科技發展的必然趨勢。以集團眾多大型試驗臺的建設為契機，依托中央研究院已有的數字化分析平臺，借助于系統仿真技術，研究面向裝備產品試驗的數字化虛擬試驗技術，通過深入探究其中的多學科建模、仿真、結果分析與優化等關鍵技術，解決數字化虛擬試驗技術中的難點，搭建數字化虛擬試驗環境，為集團新型裝備及其零部件的研發提供數字化虛擬試驗服務，預計將會縮短產品試制周期30%～60%，降低試驗成本20%~55%，節約人工成本10%～20&，具有很強的經濟和社會效益，必將會為公司的技術進步與轉型發展提供強大的動力。

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