飛行器性能樣機虛擬試驗系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

彭 健，史 靜，張麗曄，蔡斐華，許 昶

(中國運載火箭技術研究院 研發(fā)中心，北京 100076)

飛行器性能樣機虛擬試驗系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

彭 健，史 靜，張麗曄，蔡斐華，許 昶

(中國運載火箭技術研究院 研發(fā)中心，北京 100076)

為實現(xiàn)航天飛行器研制中性能樣機模型的充分利用，提出了飛行器性能樣機虛擬試驗系統(tǒng)的總體方案，通過試驗基礎數(shù)據庫、試驗數(shù)據管理、驗證輔助工具、虛擬試驗應用等子系統(tǒng)劃分和工作流程設計，提供對虛擬試驗的全流程支持;系統(tǒng)突破了試驗數(shù)據對象化管理、試驗流程建模等關鍵技術，并基于虛擬試驗支撐平臺VITA完成了相應系統(tǒng)實現(xiàn)，在多個飛行器研制過程中開展了典型應用。

性能樣機；虛擬試驗；試驗數(shù)據管理

0 引言

航天飛行器研制過程中需要開展大量的實物試驗、仿真分析和虛擬試驗來驗證飛行器的各種性能指標。試驗過程中形成了大量以CAE模型、中間結果數(shù)據或實物試驗數(shù)據形式存在的性能樣機模型。性能樣機模型無法用現(xiàn)有產品數(shù)據管理系統(tǒng)進行有效管理，也缺乏必要的輔助分析工具，模型的隱含價值難以得到充分利用。設計一種基于產品性能樣機的飛行器虛擬試驗系統(tǒng)，在完成實物樣機功能模擬的基礎上，采用仿真和虛擬試驗技術開展子系統(tǒng)之間的復雜集成和耦合關系分析，可為后續(xù)實物試驗的開展提供綜合試驗和分析工具，為飛行器關鍵技術攻關和實現(xiàn)途徑驗證提供有效的試驗支撐手段。

1 系統(tǒng)功能需求

飛行器性能樣機虛擬試驗系統(tǒng)構建的主要需求包括以下幾點。

1.1 試驗數(shù)據統(tǒng)一管理

試驗數(shù)據以文件方式分散管理，存儲方式不統(tǒng)一且容易丟失，難以實現(xiàn)數(shù)據的安全共享和快速查找，影響了數(shù)據的有效分析和合理利用，需要進行統(tǒng)一的規(guī)范化管理。

1.2 標準化試驗流程定制

仿真分析和設計工作所產生的復雜數(shù)據和文檔，各個分析工具之間、設計工具與分析工具之間、后處理結果共享等協(xié)同環(huán)節(jié)流通不暢，影響工作效率。需要以產品結構樹為基礎建立各類性能樣機模型、結果與幾何模型的關系，建立標準化的試驗分析流程，提供多專業(yè)數(shù)據之間的協(xié)同工作平臺。

1.3 試驗流程管理與監(jiān)控

仿真和試驗過程難以實時監(jiān)控和有效協(xié)同，實物試驗、仿真分析和虛擬試驗等不同類型試驗由不同的單位和人員負責，人工管理難度較大。

1.4 虛實結合與虛實比對

充分利用在實物試驗、仿真分析方面的已有資源進行相互促進，利用實物試驗的結果來修正仿真分析的模型，從而提高仿真模型的準確性，更好的發(fā)揮試驗對設計的預示與驗證作用，實現(xiàn)實物試驗、仿真分析和虛擬試驗的緊密結合。

2 系統(tǒng)總體方案

2.1 系統(tǒng)組成

性能樣機飛行器虛擬試驗系統(tǒng)將以性能樣機模型為基礎實現(xiàn)對飛行器總體性能和飛行品質的全面評價，為研制試驗的開展提供虛擬試驗技術支撐。系統(tǒng)組成如圖1所示，由虛擬試驗支撐平臺VITA、若干性能樣機模型和試驗輔助支撐工具組成，VITA平臺提供綜合的虛擬試驗環(huán)境和一系列標準的API接口服務，在此基礎上搭建虛擬力學環(huán)境等飛行器虛擬試驗應用系統(tǒng)。

圖1 性能樣機飛行器虛擬試驗系統(tǒng)組成

1)試驗基礎數(shù)據庫。主要負責存儲參與性能樣機試驗的數(shù)學模型、實物試驗數(shù)據、虛擬試驗數(shù)據等。這些模型和數(shù)據均以對象化方式存儲，每個模型帶有特定的數(shù)據標簽，在傳統(tǒng)數(shù)據庫功能的基礎上，還提供了版本化和模型關聯(lián)關系的檢索功能。

2)試驗數(shù)據管理系統(tǒng)。負責在整個虛擬試驗過程中提供對模型輸入數(shù)據、中間過程數(shù)據和結果輸出數(shù)據的統(tǒng)一管理，以及試驗流程驅動和數(shù)據處理分析。該系統(tǒng)負責管理大型實物和虛擬試驗中產生的與性能相關的試驗數(shù)據，并將實物和虛擬試驗數(shù)據進行統(tǒng)一的，基于試驗流程的可追溯管理，將試驗過程中產生的數(shù)據進行系統(tǒng)化、版本化的存儲，并對數(shù)據進行解析和分析，從而解決目前飛行器單機、整機試驗過程中數(shù)據無法有效管理的問題。

3)驗證輔助工具。針對飛行器試驗的需求，建設虛實比對、虛擬振動、試驗結果在線可視化等工具集。這些輔助工具用于模擬性能樣機試驗中的力學虛擬試驗環(huán)境，按照實物試驗規(guī)范和對應CAE分析流程，為設計人員提供虛擬的振動試驗平臺，并可以利用實物試驗數(shù)據進行虛擬試驗模型修正，加快性能樣機分析過程。

4)虛擬試驗應用系統(tǒng)。按各專業(yè)對性能仿真驗證和評估的需求，將專業(yè)模型按照物理類型轉換成為可以開展虛擬試驗的模型，并根據試驗目的提出試驗的指標、參數(shù)和與其他系統(tǒng)的接口關系，利用虛擬試驗支撐平臺的工具組織開展應用系統(tǒng)的建設工作。

以上4個子系統(tǒng)協(xié)同工作，在此基礎上，應用系統(tǒng)可根據任務需要和試驗大綱，在充分利用和共享性能樣機信息的基礎上開展虛擬試驗，為系統(tǒng)級大型聯(lián)合試驗的開展提供有力支撐。

2.2 工作流程

系統(tǒng)的工作流程分為試驗準備、試驗運行和試驗分析3個階段，各階段的具體工作內容介紹如下。

2.2.1 試驗準備階段

分析實物試驗、仿真及虛擬試驗工作過程，在試驗數(shù)據管理系統(tǒng)的支持下，完成試驗流程建模及初始化設置，作為后續(xù)基于性能樣機開展各項虛擬試驗提供指導和依據。相關工作包括：建立試驗流程，實物試驗流程依據試驗大綱建立，重點關注產生數(shù)據的環(huán)節(jié)，仿真及虛擬試驗流程依據常用CAE分析、實時仿真過程建立，重點關注對試驗過程的規(guī)范和數(shù)據、經驗積累；建立試驗數(shù)據對象，對試驗數(shù)據進行抽象，由工程數(shù)據管理系統(tǒng)形成相應的數(shù)據庫表或文件倉庫；建立試驗流程節(jié)點，集成第三方CAE商業(yè)分析軟件或自研軟件，實現(xiàn)試驗任務的自動處理；配置試驗基本信息，實現(xiàn)對產品結構、試驗設備、試驗人員、試驗角色的配置及人員權限管理。

2.2.2 試驗運行階段

根據試驗類型的不同，可分為兩類主要流程：實物試驗，實現(xiàn)對試驗各環(huán)節(jié)數(shù)據的檢入和審簽，數(shù)據批量轉換、統(tǒng)一顯示及報告自動生成等流程與虛擬試驗重用。力學虛擬試驗，按實物試驗規(guī)范準備相關試驗測點和試驗結果數(shù)據，按對應CAE分析流程準備虛擬仿真試驗模型，調用驗證輔助工具提進行虛擬振動等試驗，試驗結束后各類虛擬試驗結果數(shù)據自動檢入及批量轉換，由驗證輔助工具實現(xiàn)結果數(shù)據的統(tǒng)一顯示，由試驗數(shù)據管理系統(tǒng)實現(xiàn)試驗報告的自動生成與數(shù)據可追溯管理。

2.2.3 試驗分析階段

試驗數(shù)據管理系統(tǒng)存儲系統(tǒng)工作過程中產生各類數(shù)據，并通過與驗證輔助工具實現(xiàn)實物試驗和虛擬試驗數(shù)據的比對分析、可視化顯示，以及對試驗數(shù)據曲線、圖表、均值、方差等形式的初步分析。

3 關鍵技術

3.1 試驗數(shù)據對象化管理技術

試驗數(shù)據管理提供試驗過程中仿真和試驗數(shù)據管理統(tǒng)一的存儲與管理，可基于產品結構樹實現(xiàn)數(shù)據顯示方式的靈活配置，針對大型地面試驗和飛行器結構仿真定制不同的產品結構樹，提供上傳、下載、查看、檢索和修改等服務，通過版本管理和譜系追蹤清晰顯示數(shù)據之間的關聯(lián)關系。

對象化數(shù)據建模采用自定義數(shù)據對象DataClass的方式實現(xiàn)，以面向對象的方式對數(shù)據進行描述，能夠支持不同試驗過程中各種復雜的數(shù)據結構和數(shù)據格式。所建立的數(shù)據模型包括項目、產品結構樹、工況、試驗數(shù)據、數(shù)據版本屬性等。

數(shù)據管理引擎通過動作封裝方式(Action Encapsulation，AE)，實現(xiàn)對數(shù)據對象的創(chuàng)建、產生、傳遞及各類關系的管理支持。調用對象化數(shù)據模型創(chuàng)建數(shù)據庫，并自動產生數(shù)據對象的關聯(lián)關系以及譜系關系。

數(shù)據庫及文件倉庫系統(tǒng)用來存儲系統(tǒng)涉及到的所有文件，支持文件的上傳、下載、瀏覽及查詢等調用操作。

圖2 試驗數(shù)據對象化管理技術方案

3.2 試驗流程建模技術

實現(xiàn)基于項目的數(shù)據和流程管理，具備靈活的試驗流程建模功能，能夠依據試驗大綱定制試驗流程和仿真分析流程，并能進行流程進度監(jiān)控和任務統(tǒng)計分析。具體需要實現(xiàn)：按實際試驗過程，制定試驗流程模板，執(zhí)行不同任務；為試驗管理人員提供了試驗計劃和任務的工作臺面，包括管理人員的試驗進度監(jiān)控、試驗數(shù)據查看、工作分解情況等功能；為試驗執(zhí)行人員的試驗任務查看、任務處理、數(shù)據分析等功能。試驗流程建模通過三部分來實現(xiàn)：

1)流程建模定義器。面向流程建模人員，可以進行流程建模，并將建好的流程模板發(fā)布到流程執(zhí)行引擎中，由流程執(zhí)行引擎進行調度。主要功能包括：流程建模工具，提供流程繪制功能和數(shù)據映射功能，對流程和流程模板進行建模，并通過數(shù)據流視圖功能查看流程中的數(shù)據流情況，以結構化的形式進行存儲流程模板。活動腳本工具，通過圖形化的界面對活動腳本進行建模并發(fā)布。數(shù)據類型工具，提供圖形化的自定義數(shù)據類型的建模環(huán)境，以可視化的方式對自定義數(shù)據類型進行建模并發(fā)布，在活動腳本工具中可使用這些自定義的數(shù)據類型作為輸入輸出參數(shù)的類型。

2)流程管理平臺。面向試驗管理人員和試驗執(zhí)行人員，試驗管理人員可以在流程管理平臺中對流程進行管理，包括對流程的增刪查改以及對流程執(zhí)行情況的監(jiān)控；試驗執(zhí)行人員則主要負責執(zhí)行流程中的各個節(jié)點的任務，通過在流程管理平臺上填寫流程節(jié)點任務的表單來完成任務的執(zhí)行。流程管理平臺則通過與后臺的流程執(zhí)行引擎進行交互，從而完成上述功能。主要功能包括：流程管理模塊，流程管理模塊為管理員提供了管理流程的界面，管理員可以通過流程管理模塊查找、修改、刪除系統(tǒng)中的流程，并且可以對流程的分類進行管理。流程管理模塊則通過流程執(zhí)行引擎提供的接口對保存在數(shù)據庫中的流程進行管理，從而實現(xiàn)了流程管理平臺與數(shù)據庫的隔離，減低了系統(tǒng)的耦合性。流程監(jiān)控模塊，通過流程監(jiān)控模塊提供的甘特圖監(jiān)控流程中的各個節(jié)點任務的執(zhí)行時間，了解流程的執(zhí)行情況，進而優(yōu)化流程的結構，提高流程的執(zhí)行效率。流程監(jiān)控模塊對從流程執(zhí)行引擎獲取的流程執(zhí)行日志進行分析，并展示流程執(zhí)行時間的甘特圖。任務執(zhí)行模塊，主要面向試驗流程的執(zhí)行人員，實現(xiàn)流程中的人工節(jié)點任務的執(zhí)行。任務執(zhí)行模塊從流程執(zhí)行引擎獲取流程實例目前的執(zhí)行狀態(tài)，確定用戶需要執(zhí)行的任務，并分析任務節(jié)點的輸入輸出參數(shù)，從而生成節(jié)點的通用表單供流程執(zhí)行人員填寫，試驗執(zhí)行人員填寫完表單后即表示該任務的完成。

3)流程執(zhí)行引擎。是整個系統(tǒng)中最重要的部分，提供了各種管理流程、流程模板、活動腳本、數(shù)據類型的接口，并負責為上層的用戶界面應用提供數(shù)據，以及對下層的數(shù)據源進行管理。同時，流程執(zhí)行引擎還負責流程的解析、運行、調度等工作。主要功能包括：流程調度引擎，流程調度引擎負責接收從流程建模定義器發(fā)布的流程和流程模塊，并將其部署到VITA試驗數(shù)據管理系統(tǒng)中；解析流程模型的結構化存儲文件，并將其進行實例化和啟動運行；對運行中的流程節(jié)點進行調度，即決定節(jié)點完成后下一個應該執(zhí)行的節(jié)點；為人工節(jié)點任務提供通用表單供執(zhí)行人員填寫；記錄和分析流程執(zhí)行的日志，為流程的監(jiān)控提供數(shù)據。活動腳本引擎，負責接收從流程建模定義器發(fā)布的活動腳本和數(shù)據類型，并將其部署；解析活動腳本和數(shù)據類型的XML文件，并實例化活動腳本和數(shù)據類型的模型實例；當流程中包含了活動腳本時，活動腳本引擎則負責將流程中的數(shù)據傳遞給活動腳本，并執(zhí)行活動腳本的實例，最后將活動腳本的結果傳遞給流程中的相應變量，從而實現(xiàn)流程和活動腳本的整合。

圖3 試驗流程建模技術方案

3.3 試驗工具軟件集成技術

試驗工具軟件通過動作封裝方式(Action Encapsulation，AE)來進行集成，支持Ant、JavaScript代碼兩種形式腳本，可以定義試驗動作的基本信息、接口參數(shù)及具體動作過程，對系統(tǒng)功能擴展更加靈活和方便。通過集成設計工具、前后處理軟件、求解器及自研程序，可對試驗任務進行自動處理，實現(xiàn)對軟件的自動調用和數(shù)據的自動上傳。工具軟件集成后可在流程節(jié)點中以人工或自動方式使用，在流程執(zhí)行過程中完成相應功能。

AE文件的定義格式如下圖所示，包含了預定義、輸入、處理、輸出四部分內容，并采用XML格式存儲。預定義，包括該項動作的基本屬性，如名稱、展示的標簽及圖標、執(zhí)行模式等，執(zhí)行模式可分為在服務器上執(zhí)行、在客戶端上執(zhí)行兩類。輸入，包括輸入數(shù)據的基本屬性，如名稱、在頁面中展示的標簽、輸入數(shù)據的類型、是否必須，類型包括基本數(shù)據類型、文件、數(shù)據對象。處理，包括執(zhí)行程序的類型和執(zhí)行程序的代碼。輸出，定義生成的結果數(shù)據類型，通過調用VITA數(shù)據管理系統(tǒng)的API完成數(shù)據的存儲。

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圖4 AE文件的定義格式

3.4 力學環(huán)境虛擬試驗技術

在傳統(tǒng)CAE分析軟件功能基礎上力學及模態(tài)虛擬試驗技術將按照實物試驗規(guī)范和對應CAE分析流程，為設計人員提供虛擬的振動試驗軟件平臺，實現(xiàn)標準化的試驗過程模板、多種裝配機制、虛實試驗模型比對與結果數(shù)據統(tǒng)一顯示、試驗結果分析與模板報告自動生成等功能。同時，以實物試驗數(shù)據為目標，實現(xiàn)有限元模型的修正，預示實物試驗結果，加快性能樣機分析過程、減少實物試驗次數(shù)、降低試驗成本。力學環(huán)境虛擬試驗通過三部分來實現(xiàn)。

1)試驗數(shù)據讀取與管理，負責對實物模態(tài)試驗文件及CAE分析產生的各類飛行器虛擬模態(tài)試驗文件進行解析，將解析得到的飛行器的試驗測點信息和基于所述測點的模態(tài)試驗結果，轉換成預設的數(shù)據結構。

2)試驗基礎功能，包括用戶交互界面、試驗模板定制、試驗數(shù)據導入、試驗方案存儲、可視化圖形界面模塊以及試驗報告生成等。按照實物試驗的規(guī)范和流程，定義了虛擬試驗模板和操作界面，支持對試驗參數(shù)的設置，大量的虛擬振動試驗專家知識以動態(tài)鏈接庫的形式放置于客戶端，提供給各個試驗操作人員，滿足高效率的虛擬振動試驗工作。三維圖形顯示將飛行器的CAE模型以及基于該CAE模型的虛擬模態(tài)試驗結果還原成可視化三維圖形，同時也可對飛行器的試驗測點信息和基于所述測點的實物模態(tài)試驗結果進行三維顯示。

3)力學虛擬試驗，包括虛實比對，將實物試驗數(shù)據與CAE 模型數(shù)據集中到一個統(tǒng)一的、結構化的關聯(lián)數(shù)據庫中，模型導入后可以對模型進行模型平移、旋轉、縮放、視角變換等基本操作。模型裝配，針對虛擬試驗過程的常見轉配關系，支持基于Nastran模型的剛性連接、螺栓連接、節(jié)點耦合和焊接連接，便于建立試件-試件以及試件-夾具的裝配關系。載荷設置，支持基于Nastran模型的約束及位移、加速度、速度、壓力和集中力等載荷的施加，支持模態(tài)、頻響、隨機振動和響應譜求解類型載荷的施加。在靜力學分析和動力學分析方面，提供了靜力虛實數(shù)據的導入查看及比對分析功能。動力學分析用于結構動力學響應，包括基于Nastran模態(tài)分析、頻率響應分析、隨機振動分析和響應譜和結構瞬態(tài)分析等。相關性分析，定性和定量地將有限元結果與實物試驗結果進行相關性分析，從而評價有限元模型，預示實物試驗結果。后處理，支持靜力、模態(tài)、頻響、隨機振動和響應譜等虛擬試驗和實物試驗計算結果快速提取，實現(xiàn)CAE數(shù)據結果的云圖、曲線和動畫顯示，以及模態(tài)結果的固有頻率和振型顯示。

圖5 力學環(huán)境虛擬試驗技術方案

4 實現(xiàn)情況

基于自主開發(fā)的虛擬試驗支撐平臺VITA，開展了飛行器性能樣機虛擬試驗。以某部段動特性虛擬試驗為例，對系統(tǒng)實現(xiàn)效果進行說明。通過試驗數(shù)據管理系統(tǒng)定義數(shù)據對象、產品結構樹，實現(xiàn)對飛行器性能樣機模型及數(shù)據的統(tǒng)一管理；通過試驗流程建模軟件，定制了試驗過程并進行流程驅動；通過集成NASTRAN等多種商用軟件，對性能樣機進行建模、仿真；通過自研虛擬振動軟件，實現(xiàn)虛實數(shù)據比對、模型修正、結果后處理及統(tǒng)一展示。系統(tǒng)實現(xiàn)了在全飛行器測試之前全面了解系統(tǒng)性能，為全系統(tǒng)試驗做好充分準備，減少對實物試驗的過分依賴，加快產品開發(fā)流程。

圖6 試驗數(shù)據管理

圖7 試驗流程建模

圖8 試驗數(shù)據展示

5 總結

本文在分析飛行器性能樣機虛擬試驗系統(tǒng)主要需求基礎上，提出了系統(tǒng)總體方案，并對系統(tǒng)工作流程進行說明。分析系統(tǒng)技術難點，給出了關鍵技術解決方案。目前已基于虛擬試驗支撐平臺VITA完成相應系統(tǒng)實現(xiàn)，在多個飛行器研制過程中開展了典型應用。下一步將繼續(xù)完善性能樣機模型、豐富虛擬試驗支撐平臺功能，為虛擬試驗平臺的產品化推廣，提升航天產品研制試驗水平打下基礎。

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Research and Implementation of Vehicle Virtual Test System Based on Product Performance Prototype

Peng Jian，Shi Jing，Zhang Liye, Cai Feihua, Xu Chang

(China Academy of Launch Vehicle Technology R&D Center, Beijing 100076, China)

In order to make full use of the performance prototype model in the development of the spacecraft, this paper put forward the design of the vehicle virtual test system based on product performance prototype. Through the sub-system division and work flow design of the test base database, test data management, verification assistant, virtual test application, the system can support the whole process of virtual test. The system breaks through the key technology of object-oriented management of experimental data and modeling of test flow, and is implemented based on the virtual test platform VITA. Using this system, several typical application is carried out in the development of multiple aircrafts.

performance prototype; virtual test；test data management

2016-11-06；

2016-12-04。

彭 健(1983-)，女，湖南常德人，高級工程師，主要從事虛擬試驗、系統(tǒng)仿真技術方向的研究。

1671-4598(2017)04-0233-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.04.063

TP391.9

A