飛行器性能樣機(jī)虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

彭 健，史 靜，張麗曄，蔡斐華，許 昶

(中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 研發(fā)中心，北京 100076)

飛行器性能樣機(jī)虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

彭 健，史 靜，張麗曄，蔡斐華，許 昶

(中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 研發(fā)中心，北京 100076)

為實(shí)現(xiàn)航天飛行器研制中性能樣機(jī)模型的充分利用，提出了飛行器性能樣機(jī)虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)的總體方案，通過試驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理、驗(yàn)證輔助工具、虛擬試驗(yàn)應(yīng)用等子系統(tǒng)劃分和工作流程設(shè)計(jì)，提供對(duì)虛擬試驗(yàn)的全流程支持;系統(tǒng)突破了試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)象化管理、試驗(yàn)流程建模等關(guān)鍵技術(shù)，并基于虛擬試驗(yàn)支撐平臺(tái)VITA完成了相應(yīng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，在多個(gè)飛行器研制過程中開展了典型應(yīng)用。

性能樣機(jī)；虛擬試驗(yàn)；試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理

0 引言

航天飛行器研制過程中需要開展大量的實(shí)物試驗(yàn)、仿真分析和虛擬試驗(yàn)來驗(yàn)證飛行器的各種性能指標(biāo)。試驗(yàn)過程中形成了大量以CAE模型、中間結(jié)果數(shù)據(jù)或?qū)嵨镌囼?yàn)數(shù)據(jù)形式存在的性能樣機(jī)模型。性能樣機(jī)模型無(wú)法用現(xiàn)有產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行有效管理，也缺乏必要的輔助分析工具，模型的隱含價(jià)值難以得到充分利用。設(shè)計(jì)一種基于產(chǎn)品性能樣機(jī)的飛行器虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)，在完成實(shí)物樣機(jī)功能模擬的基礎(chǔ)上，采用仿真和虛擬試驗(yàn)技術(shù)開展子系統(tǒng)之間的復(fù)雜集成和耦合關(guān)系分析，可為后續(xù)實(shí)物試驗(yàn)的開展提供綜合試驗(yàn)和分析工具，為飛行器關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和實(shí)現(xiàn)途徑驗(yàn)證提供有效的試驗(yàn)支撐手段。

1 系統(tǒng)功能需求

飛行器性能樣機(jī)虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建的主要需求包括以下幾點(diǎn)。

1.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理

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

1.2 標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)流程定制

仿真分析和設(shè)計(jì)工作所產(chǎn)生的復(fù)雜數(shù)據(jù)和文檔，各個(gè)分析工具之間、設(shè)計(jì)工具與分析工具之間、后處理結(jié)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(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹為基礎(chǔ)建立各類性能樣機(jī)模型、結(jié)果與幾何模型的關(guān)系，建立標(biāo)準(zhǔn)化的試驗(yàn)分析流程，提供多專業(yè)數(shù)據(jù)之間的協(xié)同工作平臺(tái)。

1.3 試驗(yàn)流程管理與監(jiān)控

仿真和試驗(yàn)過程難以實(shí)時(shí)監(jiān)控和有效協(xié)同，實(shí)物試驗(yàn)、仿真分析和虛擬試驗(yàn)等不同類型試驗(yàn)由不同的單位和人員負(fù)責(zé)，人工管理難度較大。

1.4 虛實(shí)結(jié)合與虛實(shí)比對(duì)

充分利用在實(shí)物試驗(yàn)、仿真分析方面的已有資源進(jìn)行相互促進(jìn)，利用實(shí)物試驗(yàn)的結(jié)果來修正仿真分析的模型，從而提高仿真模型的準(zhǔn)確性，更好的發(fā)揮試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)的預(yù)示與驗(yàn)證作用，實(shí)現(xiàn)實(shí)物試驗(yàn)、仿真分析和虛擬試驗(yàn)的緊密結(jié)合。

2 系統(tǒng)總體方案

2.1 系統(tǒng)組成

性能樣機(jī)飛行器虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)將以性能樣機(jī)模型為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器總體性能和飛行品質(zhì)的全面評(píng)價(jià)，為研制試驗(yàn)的開展提供虛擬試驗(yàn)技術(shù)支撐。系統(tǒng)組成如圖1所示，由虛擬試驗(yàn)支撐平臺(tái)VITA、若干性能樣機(jī)模型和試驗(yàn)輔助支撐工具組成，VITA平臺(tái)提供綜合的虛擬試驗(yàn)環(huán)境和一系列標(biāo)準(zhǔn)的API接口服務(wù)，在此基礎(chǔ)上搭建虛擬力學(xué)環(huán)境等飛行器虛擬試驗(yàn)應(yīng)用系統(tǒng)。

圖1 性能樣機(jī)飛行器虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)組成

1)試驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)參與性能樣機(jī)試驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型、實(shí)物試驗(yàn)數(shù)據(jù)、虛擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)等。這些模型和數(shù)據(jù)均以對(duì)象化方式存儲(chǔ)，每個(gè)模型帶有特定的數(shù)據(jù)標(biāo)簽，在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)功能的基礎(chǔ)上，還提供了版本化和模型關(guān)聯(lián)關(guān)系的檢索功能。

2)試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。負(fù)責(zé)在整個(gè)虛擬試驗(yàn)過程中提供對(duì)模型輸入數(shù)據(jù)、中間過程數(shù)據(jù)和結(jié)果輸出數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，以及試驗(yàn)流程驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)處理分析。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理大型實(shí)物和虛擬試驗(yàn)中產(chǎn)生的與性能相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將實(shí)物和虛擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的，基于試驗(yàn)流程的可追溯管理，將試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)化、版本化的存儲(chǔ)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和分析，從而解決目前飛行器單機(jī)、整機(jī)試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)無(wú)法有效管理的問題。

3)驗(yàn)證輔助工具。針對(duì)飛行器試驗(yàn)的需求，建設(shè)虛實(shí)比對(duì)、虛擬振動(dòng)、試驗(yàn)結(jié)果在線可視化等工具集。這些輔助工具用于模擬性能樣機(jī)試驗(yàn)中的力學(xué)虛擬試驗(yàn)環(huán)境，按照實(shí)物試驗(yàn)規(guī)范和對(duì)應(yīng)CAE分析流程，為設(shè)計(jì)人員提供虛擬的振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)，并可以利用實(shí)物試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ托拚涌煨阅軜訖C(jī)分析過程。

4)虛擬試驗(yàn)應(yīng)用系統(tǒng)。按各專業(yè)對(duì)性能仿真驗(yàn)證和評(píng)估的需求，將專業(yè)模型按照物理類型轉(zhuǎn)換成為可以開展虛擬試驗(yàn)的模型，并根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康奶岢鲈囼?yàn)的指標(biāo)、參數(shù)和與其他系統(tǒng)的接口關(guān)系，利用虛擬試驗(yàn)支撐平臺(tái)的工具組織開展應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)工作。

以上4個(gè)子系統(tǒng)協(xié)同工作，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用系統(tǒng)可根據(jù)任務(wù)需要和試驗(yàn)大綱，在充分利用和共享性能樣機(jī)信息的基礎(chǔ)上開展虛擬試驗(yàn)，為系統(tǒng)級(jí)大型聯(lián)合試驗(yàn)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(yàn)準(zhǔn)備、試驗(yàn)運(yùn)行和試驗(yàn)分析3個(gè)階段，各階段的具體工作內(nèi)容介紹如下。

2.2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備階段

分析實(shí)物試驗(yàn)、仿真及虛擬試驗(yàn)工作過程，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的支持下，完成試驗(yàn)流程建模及初始化設(shè)置，作為后續(xù)基于性能樣機(jī)開展各項(xiàng)虛擬試驗(yàn)提供指導(dǎo)和依據(jù)。相關(guān)工作包括：建立試驗(yàn)流程，實(shí)物試驗(yàn)流程依據(jù)試驗(yàn)大綱建立，重點(diǎn)關(guān)注產(chǎn)生數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)，仿真及虛擬試驗(yàn)流程依據(jù)常用CAE分析、實(shí)時(shí)仿真過程建立，重點(diǎn)關(guān)注對(duì)試驗(yàn)過程的規(guī)范和數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)積累；建立試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)象，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象，由工程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)表或文件倉(cāng)庫(kù)；建立試驗(yàn)流程節(jié)點(diǎn)，集成第三方CAE商業(yè)分析軟件或自研軟件，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)任務(wù)的自動(dòng)處理；配置試驗(yàn)基本信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)人員、試驗(yàn)角色的配置及人員權(quán)限管理。

2.2.2 試驗(yàn)運(yùn)行階段

根據(jù)試驗(yàn)類型的不同，可分為兩類主要流程：實(shí)物試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的檢入和審簽，數(shù)據(jù)批量轉(zhuǎn)換、統(tǒng)一顯示及報(bào)告自動(dòng)生成等流程與虛擬試驗(yàn)重用。力學(xué)虛擬試驗(yàn)，按實(shí)物試驗(yàn)規(guī)范準(zhǔn)備相關(guān)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)和試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，按對(duì)應(yīng)CAE分析流程準(zhǔn)備虛擬仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ停{(diào)用驗(yàn)證輔助工具提進(jìn)行虛擬振動(dòng)等試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后各類虛擬試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)自動(dòng)檢入及批量轉(zhuǎn)換，由驗(yàn)證輔助工具實(shí)現(xiàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的統(tǒng)一顯示，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)報(bào)告的自動(dòng)生成與數(shù)據(jù)可追溯管理。

2.2.3 試驗(yàn)分析階段

試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)工作過程中產(chǎn)生各類數(shù)據(jù)，并通過與驗(yàn)證輔助工具實(shí)現(xiàn)實(shí)物試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對(duì)分析、可視化顯示，以及對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線、圖表、均值、方差等形式的初步分析。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)象化管理技術(shù)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理提供試驗(yàn)過程中仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理統(tǒng)一的存儲(chǔ)與管理，可基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示方式的靈活配置，針對(duì)大型地面試驗(yàn)和飛行器結(jié)構(gòu)仿真定制不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，提供上傳、下載、查看、檢索和修改等服務(wù)，通過版本管理和譜系追蹤清晰顯示數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

對(duì)象化數(shù)據(jù)建模采用自定義數(shù)據(jù)對(duì)象DataClass的方式實(shí)現(xiàn)，以面向?qū)ο蟮姆绞綄?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，能夠支持不同試驗(yàn)過程中各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)格式。所建立的數(shù)據(jù)模型包括項(xiàng)目、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹、工況、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)版本屬性等。

數(shù)據(jù)管理引擎通過動(dòng)作封裝方式(Action Encapsulation，AE)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象的創(chuàng)建、產(chǎn)生、傳遞及各類關(guān)系的管理支持。調(diào)用對(duì)象化數(shù)據(jù)模型創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)，并自動(dòng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)對(duì)象的關(guān)聯(lián)關(guān)系以及譜系關(guān)系。

數(shù)據(jù)庫(kù)及文件倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)用來存儲(chǔ)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(diào)用操作。

圖2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)象化管理技術(shù)方案

3.2 試驗(yàn)流程建模技術(shù)

實(shí)現(xiàn)基于項(xiàng)目的數(shù)據(jù)和流程管理，具備靈活的試驗(yàn)流程建模功能，能夠依據(jù)試驗(yàn)大綱定制試驗(yàn)流程和仿真分析流程，并能進(jìn)行流程進(jìn)度監(jiān)控和任務(wù)統(tǒng)計(jì)分析。具體需要實(shí)現(xiàn)：按實(shí)際試驗(yàn)過程，制定試驗(yàn)流程模板，執(zhí)行不同任務(wù)；為試驗(yàn)管理人員提供了試驗(yàn)計(jì)劃和任務(wù)的工作臺(tái)面，包括管理人員的試驗(yàn)進(jìn)度監(jiān)控、試驗(yàn)數(shù)據(jù)查看、工作分解情況等功能；為試驗(yàn)執(zhí)行人員的試驗(yàn)任務(wù)查看、任務(wù)處理、數(shù)據(jù)分析等功能。試驗(yàn)流程建模通過三部分來實(shí)現(xiàn)：

1)流程建模定義器。面向流程建模人員，可以進(jìn)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(jìn)行調(diào)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(jù)映射功能，對(duì)流程和流程模板進(jìn)行建模，并通過數(shù)據(jù)流視圖功能查看流程中的數(shù)據(jù)流情況，以結(jié)構(gòu)化的形式進(jìn)行存儲(chǔ)流程模板。活動(dòng)腳本工具，通過圖形化的界面對(duì)活動(dòng)腳本進(jìn)行建模并發(fā)布。數(shù)據(jù)類型工具，提供圖形化的自定義數(shù)據(jù)類型的建模環(huán)境，以可視化的方式對(duì)自定義數(shù)據(jù)類型進(jìn)行建模并發(fā)布，在活動(dòng)腳本工具中可使用這些自定義的數(shù)據(jù)類型作為輸入輸出參數(shù)的類型。

2)流程管理平臺(tái)。面向試驗(yàn)管理人員和試驗(yàn)執(zhí)行人員，試驗(yàn)管理人員可以在流程管理平臺(tái)中對(duì)流程進(jìn)行管理，包括對(duì)流程的增刪查改以及對(duì)流程執(zhí)行情況的監(jiān)控；試驗(yàn)執(zhí)行人員則主要負(fù)責(zé)執(zhí)行流程中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的任務(wù)，通過在流程管理平臺(tái)上填寫流程節(jié)點(diǎn)任務(wù)的表單來完成任務(wù)的執(zhí)行。流程管理平臺(tái)則通過與后臺(tái)的流程執(zhí)行引擎進(jìn)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(duì)流程的分類進(jìn)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(duì)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中的流程進(jìn)行管理，從而實(shí)現(xiàn)了流程管理平臺(tái)與數(shù)據(jù)庫(kù)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(gè)節(jié)點(diǎn)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間，了解流程的執(zhí)行情況，進(jìn)而優(yōu)化流程的結(jié)構(gòu)，提高流程的執(zhí)行效率。流程監(jiān)控模塊對(duì)從流程執(zhí)行引擎獲取的流程執(zhí)行日志進(jìn)行分析，并展示流程執(zhí)行時(shí)間的甘特圖。任務(wù)執(zhí)行模塊，主要面向試驗(yàn)流程的執(zhí)行人員，實(shí)現(xiàn)流程中的人工節(jié)點(diǎn)任務(wù)的執(zhí)行。任務(wù)執(zhí)行模塊從流程執(zhí)行引擎獲取流程實(shí)例目前的執(zhí)行狀態(tài)，確定用戶需要執(zhí)行的任務(wù)，并分析任務(wù)節(jié)點(diǎn)的輸入輸出參數(shù)，從而生成節(jié)點(diǎn)的通用表單供流程執(zhí)行人員填寫，試驗(yàn)執(zhí)行人員填寫完表單后即表示該任務(wù)的完成。

3)流程執(zhí)行引擎。是整個(gè)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(dòng)腳本、數(shù)據(jù)類型的接口，并負(fù)責(zé)為上層的用戶界面應(yīng)用提供數(shù)據(jù)，以及對(duì)下層的數(shù)據(jù)源進(jìn)行管理。同時(shí)，流程執(zhí)行引擎還負(fù)責(zé)流程的解析、運(yùn)行、調(diào)度等工作。主要功能包括：流程調(diào)度引擎，流程調(diào)度引擎負(fù)責(zé)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(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中；解析流程模型的結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)文件，并將其進(jìn)行實(shí)例化和啟動(dòng)運(yùn)行；對(duì)運(yùn)行中的流程節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度，即決定節(jié)點(diǎn)完成后下一個(gè)應(yīng)該執(zhí)行的節(jié)點(diǎn)；為人工節(jié)點(diǎn)任務(wù)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(jù)。活動(dòng)腳本引擎，負(fù)責(zé)接收從流程建模定義器發(fā)布的活動(dòng)腳本和數(shù)據(jù)類型，并將其部署；解析活動(dòng)腳本和數(shù)據(jù)類型的XML文件，并實(shí)例化活動(dòng)腳本和數(shù)據(jù)類型的模型實(shí)例；當(dāng)流程中包含了活動(dòng)腳本時(shí)，活動(dòng)腳本引擎則負(fù)責(zé)將流程中的數(shù)據(jù)傳遞給活動(dòng)腳本，并執(zhí)行活動(dòng)腳本的實(shí)例，最后將活動(dòng)腳本的結(jié)果傳遞給流程中的相應(yīng)變量，從而實(shí)現(xiàn)流程和活動(dòng)腳本的整合。

圖3 試驗(yàn)流程建模技術(shù)方案

3.3 試驗(yàn)工具軟件集成技術(shù)

試驗(yàn)工具軟件通過動(dòng)作封裝方式(Action Encapsulation，AE)來進(jìn)行集成，支持Ant、JavaScript代碼兩種形式腳本，可以定義試驗(yàn)動(dòng)作的基本信息、接口參數(shù)及具體動(dòng)作過程，對(duì)系統(tǒng)功能擴(kuò)展更加靈活和方便。通過集成設(shè)計(jì)工具、前后處理軟件、求解器及自研程序，可對(duì)試驗(yàn)任務(wù)進(jìn)行自動(dòng)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件的自動(dòng)調(diào)用和數(shù)據(jù)的自動(dòng)上傳。工具軟件集成后可在流程節(jié)點(diǎn)中以人工或自動(dòng)方式使用，在流程執(zhí)行過程中完成相應(yīng)功能。

AE文件的定義格式如下圖所示，包含了預(yù)定義、輸入、處理、輸出四部分內(nèi)容，并采用XML格式存儲(chǔ)。預(yù)定義，包括該項(xiàng)動(dòng)作的基本屬性，如名稱、展示的標(biāo)簽及圖標(biāo)、執(zhí)行模式等，執(zhí)行模式可分為在服務(wù)器上執(zhí)行、在客戶端上執(zhí)行兩類。輸入，包括輸入數(shù)據(jù)的基本屬性，如名稱、在頁(yè)面中展示的標(biāo)簽、輸入數(shù)據(jù)的類型、是否必須，類型包括基本數(shù)據(jù)類型、文件、數(shù)據(jù)對(duì)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(jié)果數(shù)據(jù)類型，通過調(diào)用VITA數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的API完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

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圖4 AE文件的定義格式

3.4 力學(xué)環(huán)境虛擬試驗(yàn)技術(shù)

在傳統(tǒng)CAE分析軟件功能基礎(chǔ)上力學(xué)及模態(tài)虛擬試驗(yàn)技術(shù)將按照實(shí)物試驗(yàn)規(guī)范和對(duì)應(yīng)CAE分析流程，為設(shè)計(jì)人員提供虛擬的振動(dòng)試驗(yàn)軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的試驗(yàn)過程模板、多種裝配機(jī)制、虛實(shí)試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅葘?duì)與結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)一顯示、試驗(yàn)結(jié)果分析與模板報(bào)告自動(dòng)生成等功能。同時(shí)，以實(shí)物試驗(yàn)數(shù)據(jù)為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)有限元模型的修正，預(yù)示實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果，加快性能樣機(jī)分析過程、減少實(shí)物試驗(yàn)次數(shù)、降低試驗(yàn)成本。力學(xué)環(huán)境虛擬試驗(yàn)通過三部分來實(shí)現(xiàn)。

1)試驗(yàn)數(shù)據(jù)讀取與管理，負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)物模態(tài)試驗(yàn)文件及CAE分析產(chǎn)生的各類飛行器虛擬模態(tài)試驗(yàn)文件進(jìn)行解析，將解析得到的飛行器的試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)信息和基于所述測(cè)點(diǎn)的模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，轉(zhuǎn)換成預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2)試驗(yàn)基礎(chǔ)功能，包括用戶交互界面、試驗(yàn)?zāi)０宥ㄖ啤⒃囼?yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、試驗(yàn)方案存儲(chǔ)、可視化圖形界面模塊以及試驗(yàn)報(bào)告生成等。按照實(shí)物試驗(yàn)的規(guī)范和流程，定義了虛擬試驗(yàn)?zāi)０搴筒僮鹘缑妫С謱?duì)試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置，大量的虛擬振動(dòng)試驗(yàn)專家知識(shí)以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式放置于客戶端，提供給各個(gè)試驗(yàn)操作人員，滿足高效率的虛擬振動(dòng)試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果還原成可視化三維圖形，同時(shí)也可對(duì)飛行器的試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)信息和基于所述測(cè)點(diǎn)的實(shí)物模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行三維顯示。

3)力學(xué)虛擬試驗(yàn)，包括虛實(shí)比對(duì)，將實(shí)物試驗(yàn)數(shù)據(jù)與CAE 模型數(shù)據(jù)集中到一個(gè)統(tǒng)一的、結(jié)構(gòu)化的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)中，模型導(dǎo)入后可以對(duì)模型進(jìn)行模型平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、視角變換等基本操作。模型裝配，針對(duì)虛擬試驗(yàn)過程的常見轉(zhuǎn)配關(guān)系，支持基于Nastran模型的剛性連接、螺栓連接、節(jié)點(diǎn)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(guān)系。載荷設(shè)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(jī)振動(dòng)和響應(yīng)譜求解類型載荷的施加。在靜力學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析方面，提供了靜力虛實(shí)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入查看及比對(duì)分析功能。動(dòng)力學(xué)分析用于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，包括基于Nastran模態(tài)分析、頻率響應(yīng)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析和響應(yīng)譜和結(jié)構(gòu)瞬態(tài)分析等。相關(guān)性分析，定性和定量地將有限元結(jié)果與實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，從而評(píng)價(jià)有限元模型，預(yù)示實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果。后處理，支持靜力、模態(tài)、頻響、隨機(jī)振動(dòng)和響應(yīng)譜等虛擬試驗(yàn)和實(shí)物試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果快速提取，實(shí)現(xiàn)CAE數(shù)據(jù)結(jié)果的云圖、曲線和動(dòng)畫顯示，以及模態(tài)結(jié)果的固有頻率和振型顯示。

圖5 力學(xué)環(huán)境虛擬試驗(yàn)技術(shù)方案

4 實(shí)現(xiàn)情況

基于自主開發(fā)的虛擬試驗(yàn)支撐平臺(tái)VITA，開展了飛行器性能樣機(jī)虛擬試驗(yàn)。以某部段動(dòng)特性虛擬試驗(yàn)為例，對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果進(jìn)行說明。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)定義數(shù)據(jù)對(duì)象、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器性能樣機(jī)模型及數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理；通過試驗(yàn)流程建模軟件，定制了試驗(yàn)過程并進(jìn)行流程驅(qū)動(dòng)；通過集成NASTRAN等多種商用軟件，對(duì)性能樣機(jī)進(jìn)行建模、仿真；通過自研虛擬振動(dòng)軟件，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)數(shù)據(jù)比對(duì)、模型修正、結(jié)果后處理及統(tǒng)一展示。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在全飛行器測(cè)試之前全面了解系統(tǒng)性能，為全系統(tǒng)試驗(yàn)做好充分準(zhǔn)備，減少對(duì)實(shí)物試驗(yàn)的過分依賴，加快產(chǎn)品開發(fā)流程。

圖6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理

圖7 試驗(yàn)流程建模

圖8 試驗(yàn)數(shù)據(jù)展示

5 總結(jié)

本文在分析飛行器性能樣機(jī)虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)主要需求基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)總體方案，并對(duì)系統(tǒng)工作流程進(jìn)行說明。分析系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)，給出了關(guān)鍵技術(shù)解決方案。目前已基于虛擬試驗(yàn)支撐平臺(tái)VITA完成相應(yīng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，在多個(gè)飛行器研制過程中開展了典型應(yīng)用。下一步將繼續(xù)完善性能樣機(jī)模型、豐富虛擬試驗(yàn)支撐平臺(tái)功能，為虛擬試驗(yàn)平臺(tái)的產(chǎn)品化推廣，提升航天產(chǎn)品研制試驗(yàn)水平打下基礎(chǔ)。

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[3]MavrisDN,PhanLL,Dr.GarciaE.Formulationandimplementationofanaircraft-system-subsysteminterrelationshipmodelfortechnologyevaluation[A]. 25THInternationalCongressoftheAeronauticalSciences[C].2006.

[4] 趙 雯，彭 健.復(fù)雜軍工產(chǎn)品虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)研究與發(fā)展[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011,19(6):1257-1260.

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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(jí)工程師，主要從事虛擬試驗(yàn)、系統(tǒng)仿真技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)04-0233-04

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

TP391.9

A