系統(tǒng)仿真在機(jī)械類產(chǎn)品試驗(yàn)中的應(yīng)用初探

段建國(guó) 上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院數(shù)字化設(shè)計(jì)研究室（200070）

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

0 引言

系統(tǒng)仿真是以相似原理、模型理論、系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)以及應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、物理效應(yīng)設(shè)備及仿真器為工具，利用模型參與已有或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行全生命周期活動(dòng)的一門多學(xué)科的綜合性技術(shù)。由于提供了由定性到定量，由模糊到精確，由直覺到科學(xué)的工具，從20世紀(jì)50年代至今，系統(tǒng)仿真技術(shù)極大地推動(dòng)了機(jī)械類產(chǎn)品尤其是高端裝備產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)工作。美國(guó)波音飛機(jī)公司的波音777飛機(jī)是世界上首架以無圖樣方式研發(fā)及制造的飛機(jī)，其設(shè)計(jì)、裝配、性能評(píng)價(jià)及分析均采用了系統(tǒng)仿真技術(shù)，不但使研發(fā)周期大大縮短(其中制造周期縮短50% )、研發(fā)成本顯著降低(如減少設(shè)計(jì)更改費(fèi)用94%)，而且確保了最終產(chǎn)品的一次成功。通用動(dòng)力公司1997 年建成了第一個(gè)全數(shù)字化機(jī)車虛擬樣機(jī)，并行地進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、制造及夾具、模具工裝設(shè)計(jì)和可維修性設(shè)計(jì)。日產(chǎn)汽車公司利用虛擬樣機(jī)對(duì)其眾多車型進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)、包裝設(shè)計(jì)、覆蓋件設(shè)計(jì)、整車仿真設(shè)計(jì)等。目前從飛機(jī)（波音777、空客A380）到汽車（福特、大眾、日產(chǎn)）、從航空母艦（美國(guó)海軍新一代航母CVN21）、載人太空探索飛船（美國(guó)NASA）到高速列車（西門子），系統(tǒng)仿真技術(shù)已經(jīng)成為提升產(chǎn)品開發(fā)能力的關(guān)鍵技術(shù)。

裝備產(chǎn)品是典型的集機(jī)械、電子、液壓、信息及控制等技術(shù)于一體的科技密集型復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)，在技術(shù)基礎(chǔ)及創(chuàng)新資源落后于國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的背景下, 對(duì)于中國(guó)裝備制造企業(yè)而言，為完成產(chǎn)品開發(fā)，客觀上要求企業(yè)整合、利用一些先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和手段實(shí)現(xiàn)高端裝備設(shè)計(jì)制造的跨越式發(fā)展。結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的現(xiàn)代仿真技術(shù)由于自身的優(yōu)越性必將成為改造、提升我國(guó)傳統(tǒng)制造業(yè)的重要手段。通過建立柔性化仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)、全過程、全模式的數(shù)字化仿真，完成系統(tǒng)的柔性化集成、測(cè)試和仿真評(píng)價(jià)，在降低研發(fā)成本、減少研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和研發(fā)效率的提升。尤其是在產(chǎn)品試驗(yàn)領(lǐng)域，基于系統(tǒng)仿真技術(shù)的數(shù)字化虛擬試驗(yàn)技術(shù)相比較于傳統(tǒng)試驗(yàn)手段更加具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，也是未來裝備研發(fā)領(lǐng)域極具發(fā)展?jié)摿Φ姆较蛑弧?/p>

1 系統(tǒng)仿真概述

系統(tǒng)仿真基本流程如圖1所示，首先建立系統(tǒng)模型，其次在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)模型的仿真，并進(jìn)行仿真試驗(yàn)，獲得仿真結(jié)果，然后分析評(píng)價(jià)仿真結(jié)果，修正仿真模型，直至結(jié)果滿足規(guī)定的指標(biāo)要求。

圖1 仿真基本流程

對(duì)系統(tǒng)仿真而言，‘仿’是手段，‘真’是目標(biāo)。只有當(dāng)仿真結(jié)果能真實(shí)反映實(shí)際物理系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)時(shí)，仿真才有意義。因此，系統(tǒng)仿真的關(guān)鍵就是根據(jù)實(shí)際需求建立精確的數(shù)學(xué)模型和仿真模型。其中，數(shù)學(xué)模型是根據(jù)仿真目的建立的能夠反映系統(tǒng)各組成部分精確依存度的數(shù)量關(guān)系，而仿真模型則是采用仿真算法或通用程序語言將系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠接受的技術(shù)程序。作為一門發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛且多學(xué)科綜合的技術(shù)，系統(tǒng)仿真技術(shù)正在逐步滲透到產(chǎn)品制造的全生命周期，可用于需求分析、方案論證、概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、試驗(yàn)評(píng)估、使用維護(hù)和人員培訓(xùn)等產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和使用維護(hù)的全過程，如圖2所示。在現(xiàn)代高科技裝備的設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)過程中，系統(tǒng)仿真技術(shù)更是發(fā)揮著不可替代的作用。從圖3可以看出，在一些理論分析復(fù)雜或無法獲取理論分析結(jié)果，以及試驗(yàn)代價(jià)昂貴或無法進(jìn)行試驗(yàn)的情況下，系統(tǒng)仿真作為繼理論分析和試驗(yàn)研究的第三種認(rèn)識(shí)和改造客觀世界的方法，呈現(xiàn)出很多不可替代的特質(zhì)。

根據(jù)美國(guó)科學(xué)研究院工程技術(shù)委員會(huì)的測(cè)算：系統(tǒng)仿真技術(shù)可提高產(chǎn)品質(zhì)量5～15倍，增加材料出品率25%，降低工程技術(shù)成本13%～30%，降低人工成本5%～20%，提高投入設(shè)備利用率30%～60%，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)和試制周期30%～60%等。系統(tǒng)仿真技術(shù)雖已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造領(lǐng)域，但在產(chǎn)品試驗(yàn)領(lǐng)域的應(yīng)用還很少，這是系統(tǒng)仿真技術(shù)一個(gè)嶄新而又前景廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，如何將系統(tǒng)仿真技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品試驗(yàn)領(lǐng)域，輔助或替代傳統(tǒng)的試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑢?duì)于提升我國(guó)裝備制造業(yè)的設(shè)計(jì)制造水平，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 系統(tǒng)仿真與產(chǎn)品試驗(yàn)

高端裝備具有工作環(huán)境苛刻、性能要求高、組成復(fù)雜等特點(diǎn)，其關(guān)鍵零部件、子系統(tǒng)甚至整機(jī)在定型之前需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)，以驗(yàn)證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用、制造工藝等方面的合理性。傳統(tǒng)的試驗(yàn)通常在物理試驗(yàn)臺(tái)或?qū)嵨飿訖C(jī)上進(jìn)行。對(duì)于大型裝備而言，一臺(tái)實(shí)物樣機(jī)動(dòng)輒就要花費(fèi)上百萬元，花費(fèi)巨大，且搭建時(shí)間也較長(zhǎng)，甚至還要面臨設(shè)計(jì)失敗的風(fēng)險(xiǎn)；大型試驗(yàn)臺(tái)的搭建同樣需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間和較多的費(fèi)用，而且有時(shí)在物理試驗(yàn)臺(tái)上并不能完全測(cè)定所需要的性能。

由于以上問題的推動(dòng)以及仿真技術(shù)和高性能計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，一種模擬傳統(tǒng)試驗(yàn)的各操作環(huán)節(jié)及試驗(yàn)環(huán)境，使試驗(yàn)者可以像在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)項(xiàng)目的虛擬試驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生。比如德國(guó)GET集團(tuán)（Global Engineering Technology Group）針對(duì)不同的試驗(yàn)背景，開發(fā)了一系列虛擬試驗(yàn)環(huán)境—數(shù)字振動(dòng)臺(tái)、虛擬力學(xué)測(cè)試環(huán)境、虛擬噪聲測(cè)試系統(tǒng)用來進(jìn)行各種虛擬力學(xué)試驗(yàn)；美國(guó)工程技術(shù)合作公司在考慮整車系統(tǒng)各類非線性的基礎(chǔ)上開發(fā)了汽車虛擬試驗(yàn)平臺(tái)，用來對(duì)整車性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。作為一種新的認(rèn)識(shí)產(chǎn)品特性的手段，虛擬試驗(yàn)可以輔助、部分代替甚至全部代替?zhèn)鹘y(tǒng)試驗(yàn)，具有很多傳統(tǒng)試驗(yàn)不具備的優(yōu)點(diǎn)：

(1) 可靈活、快速地更換試驗(yàn)對(duì)象和試驗(yàn)條件；

(2) 可以在相同的時(shí)間內(nèi)“試驗(yàn)”更多設(shè)計(jì)方案；

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

(4) 除了給出試驗(yàn)結(jié)果以外，還可隨時(shí)連續(xù)動(dòng)態(tài)地、重復(fù)地顯示事物的發(fā)展，了解其整體與局部的細(xì)致過程；

(5) 可以顯示任何試驗(yàn)都無法看到的發(fā)生在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的一些物理現(xiàn)象；

(6) 促進(jìn)試驗(yàn)的發(fā)展，對(duì)試驗(yàn)方案的科學(xué)制定、試驗(yàn)過程中測(cè)點(diǎn)的最佳位置、儀表量程等的確定提供更可靠的理論指導(dǎo)；

(7) 對(duì)于無法建立傳統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)或建立傳統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)需要大量資金投入的情況，如大型設(shè)備零部件或整機(jī)的試驗(yàn)，可以采用虛擬試驗(yàn)；

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

在制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈、利潤(rùn)日益微薄的今天，采用虛擬試驗(yàn)輔助甚至代替實(shí)物試驗(yàn)完成相關(guān)產(chǎn)品零部件試驗(yàn)，降低試驗(yàn)成本、提高試驗(yàn)效率，全面了解零部件特性，提高產(chǎn)品質(zhì)量，已經(jīng)成為產(chǎn)品開發(fā)的一種必要手段和必然趨勢(shì)。

3 數(shù)字化虛擬試驗(yàn)臺(tái)

3.1 虛擬試驗(yàn)臺(tái)預(yù)期功能及特征

數(shù)字化虛擬試驗(yàn)臺(tái)是一個(gè)專業(yè)的性能分析軟件包，它擁有模塊化的子模型，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵笠匀嵝曰氖侄未罱ㄈ我庑问降奶摂M仿真模型；具有自動(dòng)化的仿真流程，可以按照試驗(yàn)規(guī)程，在試驗(yàn)臺(tái)上順利進(jìn)行試驗(yàn)；可以提供邊界條件設(shè)定、測(cè)點(diǎn)布置、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果顯示、試驗(yàn)過程演示、計(jì)算報(bào)告生成、系統(tǒng)管理等全部仿真工作流程要求的一系列功能。在虛擬試驗(yàn)臺(tái)上，可以快速方便地進(jìn)行產(chǎn)品試驗(yàn)的仿真模擬，從而使設(shè)計(jì)人員能快捷地進(jìn)行與試驗(yàn)有關(guān)的分析項(xiàng)目，加快分析進(jìn)程、規(guī)范輸出圖形、自動(dòng)生成計(jì)算報(bào)告，提高其設(shè)計(jì)效率，同時(shí)降低對(duì)分析人員的技能要求。

要達(dá)到上面的要求，虛擬試驗(yàn)臺(tái)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(jī)軟件、靜動(dòng)特性分析軟件、液壓系統(tǒng)建模軟件以及控制軟件進(jìn)行信息交流，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真。比如常用的控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB，三維建模軟件CATIA、SolidWorks、Pro/E，多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS，虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件3DVIA Studio、VRPlatform，有限元分析軟件Ansys、Abaqus、Nastran和流體動(dòng)力學(xué)分析(CFD)軟件 Fluent、CFX、NUMECA，多學(xué)科仿真軟件SimulationX、ISignt、AMESim等。

(2) 可實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域物理系統(tǒng)的統(tǒng)一建模與協(xié)同仿真，具有開放、面向?qū)ο蟮亩囝I(lǐng)域統(tǒng)一建模能力，可以跨越不同領(lǐng)域，方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜物理系統(tǒng)的建模，包括機(jī)械、電子、電力、液壓、熱、控制及面向過程的子系統(tǒng)模型。多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模一般有三種方法：基于接口的方法、基于高層體系結(jié)構(gòu)（HLA）的方法和基于統(tǒng)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(guān)系，針對(duì)不同的仿真應(yīng)用配置不同的接口，編寫集成代碼，存在多個(gè)求解器補(bǔ)償協(xié)調(diào)問題。而基于統(tǒng)一建模語言的方法對(duì)來自不同領(lǐng)域的系統(tǒng)構(gòu)建采用統(tǒng)一方式進(jìn)行描述，可徹底實(shí)現(xiàn)不同領(lǐng)域模型之間的無縫集成和數(shù)據(jù)交換，是多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模的主流方法。Modelica是目前較為盛行的多領(lǐng)域物理系統(tǒng)統(tǒng)一建模語言。

(3) 具有開放的模型庫(kù)，用戶可以根據(jù)需求二次開發(fā)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(jì)算順序，能夠?qū)崿F(xiàn)非因果聯(lián)系建模，有利于仿真模型的重用。

(4) 具有統(tǒng)一的虛擬試驗(yàn)環(huán)境和平臺(tái)，能夠支持在統(tǒng)一的仿真框架上創(chuàng)建多個(gè)虛擬試驗(yàn)運(yùn)行的環(huán)境。對(duì)于特定類型、特定領(lǐng)域的試驗(yàn)，可根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮托枨蟮牟煌瑐€(gè)性化定制仿真流程，快速搭建數(shù)字化虛擬試驗(yàn)平臺(tái)。

(5) 虛擬試驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)能有機(jī)地融入到實(shí)驗(yàn)過程中，為產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)提供驗(yàn)證手段。依據(jù)不同的試驗(yàn)特點(diǎn)，建立相互關(guān)聯(lián)的仿真平臺(tái)，生成性能先進(jìn)的仿真環(huán)境，提供各類數(shù)字化模型、計(jì)算機(jī)仿真和分析工具，對(duì)數(shù)字化模型進(jìn)行仿真、分析和處理。另外，數(shù)字化虛擬試驗(yàn)平臺(tái)與半物理、全物理仿真平臺(tái)應(yīng)有良好的接口關(guān)系，數(shù)學(xué)模型可以直接用實(shí)物來代替，能夠?qū)崿F(xiàn)由數(shù)學(xué)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(guān)的數(shù)據(jù)應(yīng)具有一致的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)存儲(chǔ)。仿真分析完成后，所有中間數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)的前后繼承關(guān)系也應(yīng)完全確定下來。通過一系列共享模型和數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理、調(diào)用和融合；此外，還應(yīng)具有分析模型自動(dòng)生成功能，簡(jiǎn)化仿真分析過程，提高工作效率。

(7) 能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬試驗(yàn)的驗(yàn)證分析、評(píng)估與參數(shù)修正。主要通過對(duì)虛擬試驗(yàn)過程中采集到的數(shù)據(jù)以及物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用合理的數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮侠硇浴?/p>

3.2 虛擬試驗(yàn)臺(tái)體系架構(gòu)

根據(jù)對(duì)虛擬試驗(yàn)臺(tái)的功能預(yù)期和特征要求，介紹虛擬試驗(yàn)臺(tái)的技術(shù)路線與體系架構(gòu)。

產(chǎn)品的數(shù)字化虛擬試驗(yàn)過程包括系統(tǒng)建模、多學(xué)科仿真以及仿真結(jié)果的分析評(píng)估與優(yōu)化三部分，其總體技術(shù)路線如圖4所示。數(shù)字化虛擬試驗(yàn)臺(tái)是該技術(shù)路線一體化支持環(huán)境。

圖4 數(shù)字化虛擬試驗(yàn)技術(shù)路線

在仿真建模階段，選擇具有多領(lǐng)域統(tǒng)一建模能力的建模語言，以及當(dāng)前較為成熟的多工程建模與模擬工具。依據(jù)學(xué)科特點(diǎn)和其自身的物理特性，利用對(duì)象模型開發(fā)工具建立系統(tǒng)、子系統(tǒng)，甚至元器件模型，經(jīng)過模型評(píng)估后，對(duì)系統(tǒng)、子系統(tǒng)和元器件模型進(jìn)行封裝/測(cè)試，生成不同層次的模型模塊；在虛擬試驗(yàn)階段，主要包括系統(tǒng)運(yùn)行硬件環(huán)境的搭建，軟件環(huán)境的開發(fā)，仿真過程的運(yùn)行管理，以及軟/硬件物理接口的開發(fā)，對(duì)系統(tǒng)的整體模型進(jìn)行仿真；其中，物理接口主要用于硬件在環(huán)試驗(yàn)或全物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與輸入，軟件接口則是用于和不同領(lǐng)域、不同功能的專業(yè)仿真分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互或聯(lián)合仿真。最后，利用仿真數(shù)據(jù)和合理的數(shù)據(jù)處理方法對(duì)系統(tǒng)的整體特性進(jìn)行評(píng)估，清晰認(rèn)識(shí)系統(tǒng)的內(nèi)在特性，并利用多學(xué)科優(yōu)化理論和算法，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化，確定產(chǎn)品的參數(shù)。

數(shù)字化虛擬試驗(yàn)臺(tái)是一種分層的體系結(jié)構(gòu)，最底層為基礎(chǔ)環(huán)境層，包括模型資源層（模型庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)）、計(jì)算資源層（網(wǎng)絡(luò)資源、高性能計(jì)算資源和存儲(chǔ)設(shè)備）、軟件資源層（仿真工具和領(lǐng)域工具）、仿真和領(lǐng)域工具（CAD工具、有限元分析工具、不同學(xué)科的建模工具、項(xiàng)目管理工具，以及其他工具或自行開發(fā)的工具等）、仿真系統(tǒng)接口（硬件接口、模型接口和軟件接口）；基礎(chǔ)環(huán)境層之上為管理服務(wù)層，利用管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真模型、數(shù)據(jù)、知識(shí)和過程的管理；管理服務(wù)層之上為建模與環(huán)境運(yùn)行層，為仿真提供運(yùn)行支撐環(huán)境和可視化環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)高層建模、對(duì)象建模、模型測(cè)試、仿真評(píng)估、仿真運(yùn)行管理、系統(tǒng)優(yōu)化等功能；最上層為應(yīng)用平臺(tái)層，直接面向用戶，提供友好的可視化應(yīng)用和管理環(huán)境（見圖5所示）。

圖5 數(shù)字化虛擬試驗(yàn)臺(tái)總體架構(gòu)

4 技術(shù)難點(diǎn)

要滿足產(chǎn)品數(shù)字化試驗(yàn)過程，獲取可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，虛擬試驗(yàn)臺(tái)總體上應(yīng)具備建模方便、定制柔性、分析快速、分析可靠四個(gè)特點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)以上功能性指標(biāo)，根據(jù)產(chǎn)品試驗(yàn)特點(diǎn)，在其數(shù)字化虛擬試驗(yàn)臺(tái)開發(fā)過程中應(yīng)考慮以下問題：

(1) 在試驗(yàn)過程中，為滿足性能要求，試驗(yàn)平臺(tái)一般由分屬于機(jī)械、電子、控制、材料等不同學(xué)科的子系統(tǒng)組成。如何將合理解耦分解成一系列簡(jiǎn)單子系統(tǒng)就成為實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)精確仿真必須解決的問題。

(2) 模塊模型應(yīng)遵循嵌套原則，每個(gè)模塊都應(yīng)提供明確的邊界和統(tǒng)一的接口特性，相互之間具備數(shù)學(xué)獨(dú)立性，適應(yīng)復(fù)雜多變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式和控制系統(tǒng)組態(tài)，可以按照實(shí)際要求以任何形式連接，組成裝備系統(tǒng)仿真模型。

(3) 模塊接口設(shè)計(jì)應(yīng)采用與真實(shí)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(shí)物替換數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)由計(jì)算機(jī)仿真到半物理或全物理仿真的自然過渡。規(guī)范化的接口可不必了解模型的內(nèi)部細(xì)節(jié)，方便仿真調(diào)用，增強(qiáng)系統(tǒng)的工程實(shí)用性。

(4) 系統(tǒng)模型庫(kù)采用模塊化構(gòu)造，充分考慮模型庫(kù)的重用性、維護(hù)性和移植性，既可以根據(jù)需要修改某個(gè)模塊、增加新的功能以及重組系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)以參數(shù)化方式方便各部件模塊的配置、刪減、擴(kuò)充等。

(5) 系統(tǒng)建模過程需要考慮試驗(yàn)臺(tái)的多學(xué)科屬性，要想模擬完整的試驗(yàn)系統(tǒng)，必須將不同學(xué)科模型組合而成。不同的仿真模型可能采用不同的系統(tǒng)建模和仿真平臺(tái)，在進(jìn)行系統(tǒng)集成仿真時(shí)，必須突破不同仿真軟件間接口和模型數(shù)據(jù)的共享技術(shù)。

(6) 不同的學(xué)科在數(shù)學(xué)建模過程中不但擁有獨(dú)特的建模方法、流程和工具，也涉及到紛繁復(fù)雜的多源異構(gòu)知識(shí)，梳理并形式化仿真過程中用到的各種知識(shí)，提升現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)或理論知識(shí)對(duì)系統(tǒng)仿真的指導(dǎo)作用，也是一項(xiàng)十分繁重的任務(wù)。

(7) 隨著仿真工具的大規(guī)模應(yīng)用，涉及到的軟件平臺(tái)、接口、數(shù)據(jù)也越來越繁雜，有效進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)管理成為企業(yè)亟待解決的難題。

(8) 系統(tǒng)仿真是系統(tǒng)運(yùn)行的快速拍照，是系統(tǒng)運(yùn)行過程的真實(shí)再現(xiàn)。如何設(shè)計(jì)合理的仿真算法，將系統(tǒng)中的復(fù)雜過程快速、完整、準(zhǔn)確地在仿真中體現(xiàn)出來，這是仿真控制的核心問題。

(9) 系統(tǒng)仿真平臺(tái)應(yīng)能有機(jī)地融入到產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)過程中，為產(chǎn)品數(shù)字化實(shí)驗(yàn)提供虛擬試驗(yàn)環(huán)境和驗(yàn)證手段。依據(jù)不同的領(lǐng)域特點(diǎn)，建立相互關(guān)聯(lián)的試驗(yàn)平臺(tái)，生成性能先進(jìn)的仿真環(huán)境，提供各類數(shù)字化模型，利用計(jì)算機(jī)仿真和分析工具，對(duì)數(shù)字化模型進(jìn)行仿真、分析和處理。

(10) 仿真系統(tǒng)作為原型系統(tǒng)的相似替代系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)置信度與仿真數(shù)據(jù)分析的好壞最終將直接影響一系列后續(xù)應(yīng)用和決策過程，因此，采用何種數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法與模型以及實(shí)現(xiàn)置信度高精度評(píng)估就成為影響仿真系統(tǒng)工程應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

綜合上述分析可以看出，在產(chǎn)品試驗(yàn)領(lǐng)域要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真技術(shù)的良好運(yùn)用，建立能夠近似模擬試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理，仿真其運(yùn)行過程的產(chǎn)品數(shù)字化虛擬試驗(yàn)臺(tái)，就必須解決一系列關(guān)鍵技術(shù)，如多學(xué)科建模、仿真與優(yōu)化技術(shù)、仿真工具間接口和模型數(shù)據(jù)的共享技術(shù)、仿真流程管理技術(shù)、仿真知識(shí)建模技術(shù)與知識(shí)庫(kù)構(gòu)建技術(shù)、模塊化模型庫(kù)開發(fā)技術(shù)、算法設(shè)計(jì)與算法庫(kù)構(gòu)建技術(shù)、仿真模型評(píng)估技術(shù)、仿真數(shù)據(jù)分析與可視化技術(shù)等。

另外，還要針對(duì)具體的研究對(duì)象，解決相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)問題，如：對(duì)于滑動(dòng)軸承試驗(yàn)而言，最核心的是滑動(dòng)軸承的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性建模技術(shù)。對(duì)于密封瓦密封性能試驗(yàn)而言，最根本的是要研究轉(zhuǎn)子、軸承以及密封瓦之間的作用機(jī)理，建立三者高度耦合的數(shù)學(xué)模型。對(duì)智能微網(wǎng)進(jìn)行仿真，必須解決其中的并離網(wǎng)控制策略、可靠性與穩(wěn)定性分析等關(guān)鍵技術(shù)問題。只有借助于現(xiàn)有的仿真手段，并深入研究具有專業(yè)特色的相關(guān)技術(shù)問題，明確不同學(xué)科系統(tǒng)之間的作用機(jī)理，才能真正實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真技術(shù)在產(chǎn)品試驗(yàn)領(lǐng)域中的有效應(yīng)用。

5 前景展望

多年來，為了充分了解產(chǎn)品特性，保證產(chǎn)品質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外的眾多裝備制造企業(yè)均建立了一系列大型試驗(yàn)臺(tái)，比如廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、電子和通用機(jī)械等領(lǐng)域的大型振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，液壓傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，各類大型泵閥試驗(yàn)臺(tái)等。上海電氣十分注重產(chǎn)品質(zhì)量的提升，為此專門耗費(fèi)巨資建立了滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)、動(dòng)平衡機(jī)、核級(jí)材料與設(shè)備試驗(yàn)平臺(tái)、船舶電力推進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái)等諸多試驗(yàn)平臺(tái)。伴隨著產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展，為滿足新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)要求，必將需要建立更多、更大、更復(fù)雜的試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)集團(tuán)而言是一個(gè)不小的負(fù)擔(dān)。

系統(tǒng)仿真技術(shù)和高性能計(jì)算技術(shù)相結(jié)合，正在成為繼理論研究和試驗(yàn)研究之后的第三種認(rèn)識(shí)和改造客觀世界的重要方法。如何讓系統(tǒng)仿真技術(shù)在我國(guó)的裝備制造業(yè)領(lǐng)域尤其是傳統(tǒng)試驗(yàn)領(lǐng)域發(fā)揮其應(yīng)有的作用，輔助甚至替代傳統(tǒng)的試驗(yàn)手段，已經(jīng)成為當(dāng)前裝備制造領(lǐng)域的一個(gè)重要課題，也是科技發(fā)展的必然趨勢(shì)。以集團(tuán)眾多大型試驗(yàn)臺(tái)的建設(shè)為契機(jī)，依托中央研究院已有的數(shù)字化分析平臺(tái)，借助于系統(tǒng)仿真技術(shù)，研究面向裝備產(chǎn)品試驗(yàn)的數(shù)字化虛擬試驗(yàn)技術(shù)，通過深入探究其中的多學(xué)科建模、仿真、結(jié)果分析與優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)，解決數(shù)字化虛擬試驗(yàn)技術(shù)中的難點(diǎn)，搭建數(shù)字化虛擬試驗(yàn)環(huán)境，為集團(tuán)新型裝備及其零部件的研發(fā)提供數(shù)字化虛擬試驗(yàn)服務(wù)，預(yù)計(jì)將會(huì)縮短產(chǎn)品試制周期30%～60%，降低試驗(yàn)成本20%~55%，節(jié)約人工成本10%～20&，具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，必將會(huì)為公司的技術(shù)進(jìn)步與轉(zhuǎn)型發(fā)展提供強(qiáng)大的動(dòng)力。

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