基于數字建模仿真環境試驗技術研究

江思杰，肖瑩，郭驤，姚圣祥，張振，李晶，成厚龍

（1.中國船舶集團有限公司第七二二研究所，武漢 430205；2.武漢新能源接入產品與技術研究院有限公司，武漢 430205）

引言

近年來，隨著產品質量要求的逐步提高，數字建模仿真技術的應用愈加廣泛。2018年4月，習近平總書記在全國科技創新大會上發表重要講話，提出了數字化、網絡化、智能化、協同化是我國現代仿真技術創新的四大方向，并對數字仿真技術的發展提出了指導性意見[1]。此后，中國合格評定國家認可委員會逐步完善了數字仿真領域的認證，鼓勵企業開展相關認證工作，提高數字仿真技術可信度與質量，也從側面詮釋了數字建模仿真技術的重要性與必要性[2]。

本文從產品環境試驗業務角度出發，提出數字建模仿真技術驅動下的新時代環境試驗方法規范，從數字模型的建立、數字試驗環境的搭建、數字模型的驗證、數字試驗室標準規范的確立四方面詳細闡述了數字建模仿真技術驅動下的新時代環境試驗的具體操作流程，并以某型產品為具體案例，將上述理論與實踐相結合，從而驗證該理論的合理性與有效性，通過學習與實踐感悟總結經驗教訓，為數字建模仿真技術在環境試驗領域中的深入應用打下夯實的基礎。

1 國內外研究現狀

數字建模仿真技術在產品環境試驗領域的國外研究起源于20世紀90年代末期。最初，這項技術主要應用于航空航天工業，用于對飛機和航天器的設計和測試進行仿真分析。后來，數字建模仿真技術逐漸擴展到其他產品領域，如船舶、汽車、機器人、醫療設備等。

1998年，美國斯坦福大學（Stanford University）的研究人員首次提出了數字建模仿真技術的概念，并應用于航空航天工業的仿真與分析[3]。2003年，美國國防高級研究計劃署（DARPA）啟動了數字孿生計劃，旨在開發一種基于模型的仿真技術，用于加快產品的開發和測試[4]。2015年，德國西門子公司（Siemens）推出了數字孿生軟件，用于對各種產品的設計和測試進行仿真分析。2017年，法國航空航天研究中心（ONERA）利用數字建模仿真技術對某型飛機進行了試驗驗證，并獲得了良好的效果。2019年8月，法國航空航天研究中心（ONERA）使用數字建模仿真技術對某型新式飛機進行了仿真試驗。該技術在飛機設計和制造階段對飛機進行了精確的建模和仿真，提高了飛機的性能和可靠性。2021年4月，德國漢堡大學（University of Hamburg）利用數字建模仿真技術對某型新式船舶進行了試驗驗證，優化了船舶的航行性能和穩定性。

數字建模仿真技術是一種集成虛擬仿真、數據處理和智能優化于一體的先進技術，其在環境試驗領域的應用已經成為近年來的研究熱點。國內數字建模仿真技術在環境試驗領域的研究的起步較晚。2017年，國內才開始關注數字建模仿真技術在環境試驗領域的相關研究，隨著時間的推移，數字建模仿真技術在該領域的應用也越來越廣泛。2017年9月，中國兵器工業集團某研究所利用數字建模仿真技術，對某型產品系統進行試驗驗證。該所采用數字建模仿真技術對試驗方案進行了優化、對試驗過程進行了仿真，從而實現了試驗結果的高精度化和可靠性驗證。2020年2月，中國航空發動機集團某研究所利用數字建模仿真技術，對某型新式發動機進行了建模和仿真，開展環境試驗方案設計，通過試驗方案的模擬和優化，實現了試驗方案的精度和效率的提高。2022年，亞信科技（中國）有限公司將數字建模仿真技術應用于某家汽車制造商的生產工藝檢測，通過數字化建模和仿真，實現對生產工藝進行的優化和控制[5]。該項目取得了顯著的成果，生產效率提高了30 %以上，生產質量穩定性得到了明顯提升。

綜上所述，國內外多家研究機構及單位均運用數字建模仿真技術解決了船舶、航天等方面開發設計、設備測試試驗及其相關可靠性、精度方面的仿真模擬，從而大幅降低了制造、設計、試驗成本，提升了精度質量，擴大了生產運用規模。因此，在日趨競爭激烈、成本居高不下，質量要求極高的環境試驗領域，引入數字建模仿真技術提升環境試驗的質量和成效是非常必要的，數字建模仿真技術的出現也為推動產品環境試驗工作完善和提高提供了有力的技術支撐。

2 技術方案

面對數字智能化的時代背景，將數字建模仿真技術應用到環境試驗領域成為推動我所高質量發展的重要途徑，我們姑且稱之為數字試驗室。數字試驗室開展環境試驗任務的具體思路包括以下幾點：

1）數字模型的建立；

2）數字試驗環境的搭建；

3）數字模型的驗證；

4）數字試驗室標準規范的確立。

本文將從以上提及的四個方面的理論研究進行詳細的闡述。

2.1 數字模型的建立

數字試驗室開展環境試驗任務的首要工作就是建立數字模型。在產品試驗領域，數字模型是對產品設計和制造過程中的各個環節進行數字化建模，包括CAD設計、數值模擬、試驗測試等。數字模型可以在虛擬環境中進行仿真分析，以驗證設計方案的可行性，分析產品性能，優化設計方案。

數字模型的建立需要收集大量的數據，包括產品的物理結構、材料性質、工作環境、使用條件等。這些數據可以從CAD設計軟件、數值模擬軟件、試驗測試數據等多個方面獲得。數字模型需要包含產品的各個組成部分，包括機械部分、電子部分、液壓部分等，并考慮各個部分之間的相互作用和整體性能。然而，由于保密要求，即使生成了產品數字模型，一般也只會向總體單位移交，試驗檢測機構往往只能獲得安裝結構圖或平面圖，因此，這就需要試驗檢測機構熟練掌握專業的數字化建模軟件，如CATIA、SolidWorks、Pro/E等，具備繪制產品數字模型的能力，在向客戶提出用于數字試驗室的產品數字模型的參數要求后，根據反饋的結果將產品的物理結構進行數字化建模，同時考慮材料性質、工作環境、使用條件等因素，并生成數字模型。當積累了一定的數字模型后，便可按照不同的結構類型進行分類歸檔，形成系統級的數字模型。

2.2 數字試驗環境的搭建

在環境試驗領域，數字模型的建立就好比產品的送檢，而數字試驗環境的搭建則是為數字模型提供一個試驗設備或場所。數字試驗環境的搭建實際上也可以簡單理解為邊界條件的設定，它是數字建模仿真技術中的一個重要概念，是指數字模型仿真所需的必要條件和限制條件，包括物理邊界條件和技術邊界條件，而傳統環境試驗，我們主要關注產品的物理邊界條件。

物理邊界條件是數字模型仿真所需的物理條件，包括物理場、物理量和界面條件等。物理場是指數字模型中的物理場，如溫度、壓力、速度、電場等。物理量是指數字模型中的物理量，如質量、能量、動量、電荷等。界面條件是指數字模型中不同物理場或物理量之間的界面條件，如傳熱、流體力學、電磁學等，這些邊界條件主要是基于真實世界中的測量數據或者基于數學模型估算得出的。

2.3 數字模型的驗證

數字模型的驗證對應的是環境試驗結果的分析，其主要作用是判定該數字模型經過數字試驗環境的考核后是否滿足產品的技術指標要求。當然，純靠數字技術去判斷產品的好壞顯然過于武斷，因此，將數字模型的數字化驗證與實際產品的本地測試相結合，可以更好的實現數字模型的驗證，保證環境試驗的準確性和可靠性。數字模型的驗證主要通過以下兩種方式實現。

1）計算仿真。計算仿真是數字模型驗證的一種重要手段。計算仿真可以使用數值模擬軟件進行，以驗證數字模型的預測能力和準確性。計算仿真可以包括結構的動態響應分析、多體動力分析、外聲場模擬、熱仿真等多種形式。

2）試驗測試。試驗測試是數字模型驗證的另一種重要手段。試驗測試可以直接獲取實際產品的數據，并將其與數字模型的仿真數據進行比較。試驗測試可以包括靜態試驗、動態試驗、功能試驗、溫度試驗等多種形式。

通過上述方法，我們可以有效的驗證產品數字模型的正確性，在極大降低本地試驗人力、時間與資金成本的同時，反哺產品實物的物理結構設計，為產品設計人員提供了優化與改進措施。

2.4 數字試驗室標準規范的確立

通過環境試驗領域數字建模仿真技術的應用與積累，試驗室可以掌握大量的經過優化的產品數字模型，以及涉及各種物理參數的可行有效的數字試驗環境，結合數字模型的驗證結果，實現試驗室標準規范的確立。

數字試驗室標準規范的確立可以進一步推進數字建模仿真技術在環境試驗領域中的應用，主要包括以下2個方面：

1）拓展應用領域。以環境試驗為依托，向基礎學科進行拓展，包括生命科學、能源環境、材料科學等領域，為科學研究和工程技術開發提供更多的支持和服務。

2）模擬應用領域。利用大量的產品數字模型，可以根據總體設計框架，自由的搭建各系統或分系統的數字應用基地，將數字化實操與考核相結合，為客戶提供更加接近實際使用的數字化模擬應用環境。

3 具體實施

在數字建模仿真技術領域的開展需要一定的技術積累，主要包括熱力學、聲學、電磁學等領域的設計與生產能力，同時具備相應的硬件應用環境與軟件設計能力。隨著數字建模仿真技術概念的提出，眾多試驗室緊跟時代步伐，將數字建模仿真技術作為重點研究方向，推動產品試驗的數字化、智能化和精準化，為環境試驗檢測領域的發展推波助瀾。

為了更好展現數字建模仿真技術在環境試驗領域的應用情況，試驗室以某種變頻器為試驗對象，針對容易出現故障的力學試驗，包括沖擊試驗環境、隨機振動試驗環境與傾斜搖擺試驗環境，開展數字建模仿真技術的實際應用。下面詳細介紹下數字建模仿真技術的應用過程與仿真結果。

1）數字模型建立

試驗對象為某種變頻器，根據三維數模、質量分布、材料牌號，經過適當的幾何簡化，得到如圖1所示的數字模型，數字模型包含鋁合金殼體、鎂鋁合金支撐件、不銹鋼螺栓、IGBT等效模型和PCB精細化模型，對于薄弱區域的鋁合金殼體翅片和端蓋航插孔均進行細化處理。根據數字模型可劃分全六面體實體網格。

圖1 某型產品的數字模型

2）數字試驗環境搭建

數字試驗環境的搭建主要包含試驗工裝設計、試驗載荷確定和試驗環境模擬。

試驗工裝如圖1所示，在工裝設計時，綜合考慮了工裝強度、散熱孔預留、加工成本和裝配工藝。試驗載荷根據GJB 150-2009《軍用產品實驗室環境試驗方法》和螺旋槳頻率，確定沖擊工況、隨機振動工況和傾斜搖擺工況的載荷，如圖2和圖3所示。試驗環境模擬主要是依據試驗設備的限制條件（如轉動半徑、加速時間等）、試驗載荷和試驗工裝，對被試產品進行沖擊工況、隨機振動工況和傾斜搖擺工況的數值模擬。

圖2 沖擊與隨機振動試驗環境載荷

圖3 傾斜搖擺試驗環境載荷

3）數字模型的驗證

數字模型的驗證可分為計算仿真和試驗測試。計算仿真主要通過試驗環境模擬，得到被試產品的動態結構響應，4種工況的應力云圖如圖4所示，具體仿真結果如表1所示。

表1 數字試驗環境的仿真結果

圖4 數字試驗環境的應力云圖

通過仿真計算可以發現，結構件各工況應力均未超過材料的屈服極限和均方根極限，但安全系數最低的材料為PCB板，沖擊工況安全系數為1.98，隨機振動工況的安全系數為1.35，搖擺工況的安全系數為1.48，且均是PCB板受到面外方向載荷的工況，需要優化改進。針對PCB板在仿真中發現的問題，在試驗前適量增加了PCB板的支撐螺柱數量。

經過試驗測試，被試產品功能正常，結構件完好，且未出現螺栓松脫。數字模型的正確性得到了驗證，數字建模仿真技術的預測功能和指導作用得到了充分體現。

4 結論

數字建模仿真技術在實驗室中的應用，可以為實驗設計、數據處理和結果預測等提供新思路和方法，提高實驗效率和效益，推動實驗室工作的發展和進步。在未來的發展中，數字建模仿真技術的應用將會更加廣泛和深入，為科學研究和工程技術開發提供更多的支持和服務。