淺論結構靜強度虛擬試驗技術

【摘 要】本文對結構強度虛擬試驗驗證技術進行了初步研究，提出了構建結構靜強度虛擬試驗平臺的基本架構和思路，以及實施結構強度虛擬試驗技術的一般工作流程。

【關鍵詞】結構強度 虛擬試驗 物理試驗

一、結構虛擬試驗技術介紹

隨著現代信息技術的飛速發(fā)展，建模與仿真、虛擬現實、計算機網絡等技術也有了巨大發(fā)展，促成了仿真、虛擬技術與試驗和評價的有效結合，正在改變著傳統(tǒng)的設計流程。結構虛擬試驗一般指能夠預測結構破壞能力的評估結構強度的數值分析技術，該技術適用于金屬材料和復合材料，適用于結構的準靜態(tài)和動態(tài)響應。結構靜強度試驗規(guī)模大，費用高，試驗過程中無法預測的問題難以避免，試驗風險較大。對此，開展結構強度虛擬試驗技術研究有著極大的必要性和十分重要的意義。

二、結構虛擬試驗技術的內涵及特點

虛擬試驗是在長期積累的大量有關數據、有關的力學模型以及各類三維模型的基礎上，利用高性能計算機、網絡環(huán)境、傳感器或各種虛擬設備，建立能方便地進行人機交互的虛擬環(huán)境或虛實結合的環(huán)境，在此環(huán)境中對實體、物理樣機或虛擬樣機進行試驗，用可視化的方法觀察被試物體的性能及其相互間的關系，并對試驗結果進行分析與研究。虛擬試驗的內涵主要涉及三方面內容：（一）試驗手段即試驗所需儀器設備的虛擬；（二）試驗對象的虛擬；（三）試驗環(huán)境的虛擬。虛擬試驗是相對于真實產品的物理試驗而言的。虛擬試驗技術屬于可控制的、無破壞性的、耗費小并允許多次重復的試驗手段。在復雜產品的研制過程中，虛擬試驗不僅可以作為真實試驗的前期準備工作，而且在一定程度上可以替代傳統(tǒng)的物理試驗，從而達到縮短新產品試驗周期、降低試驗費用、提高產品質量的目的。

虛擬試驗不能完全代替真實試驗，虛擬試驗與真實的物理試驗具有互補性。

三、結構虛擬試驗與物理試驗的關系

結構的虛擬試驗與物理試驗共同點都是驗證結構的強度性能。但是虛擬試驗與物理試驗面向的對象不同，一個是數字模型，一個是真實物理模型，因此，所采用的試驗方法和核心技術不同。虛擬試驗主要研究如何建立準確的數學模型和如何利用數學模型準確分析結構響應，而常規(guī)結構試驗則側重于如何準確地加載和如何精確地測量結構的響應。

物理試驗主要證明結構在試驗載荷下結構是否破壞，用以驗證結構的安全性，但是，物理試驗的成本很高，而且物理試驗通常并不做到破壞，即使進行破壞試驗，也只能選取一種最危險載荷情況，驗證破壞模式和破壞部位。虛擬試驗可進行上千種仿真試驗，驗證每一種載荷情況及每一種可能導致破壞的載荷情況，覆蓋面寬而且成本較小。

四、結構靜強度虛擬試驗技術

（一）結構強度試驗虛擬試驗要求

使用計算機仿真技術，通過結構強度靜力虛擬仿真試驗系統(tǒng)，在計算機上對虛擬的結構或結構部件進行結構強度靜力虛擬仿真試驗，即：虛擬結構靜強度試驗，可以驗證與發(fā)現結構設計中的各種缺陷并及時修改，降低試驗成本，縮短試驗周期。虛擬結構靜強度試驗是計算機虛擬仿真試驗，結構靜強度試驗仿真系統(tǒng)就是進行這種虛擬結構靜強度試驗的計算機軟件系統(tǒng)。是結構強度試驗的計算機仿真。

結構靜強度試驗計算機仿真系統(tǒng)通過虛擬的結構靜強度試驗過程可以預先演練真實結構靜強度試驗，發(fā)現試驗方案與試驗過程中可能存在的各種缺陷，保證真實強度試驗的成功進行，在一定程度上可以取代部分結構靜強度試驗。

結構強度虛擬試驗過程中存在著多種結構設計方案、多種分析模型，對這些設計方案和分析模型要進行對比分析和評估。對于每一種設計方案，無論是哪一種強度特征虛擬試驗，都涉及到虛擬試驗過程的流程組織與控制、過程數據的管理、不同部門之間的協(xié)調以及提高工作效率等問題。

為了解決上述問題需要選擇一個仿真管理平臺，在該平臺上研發(fā)結構強度虛擬試驗系統(tǒng)，為強度虛擬提供操作平臺，從而建立虛擬試驗架構。

（二）結構強度虛擬試驗架構

結構靜強度試驗主要包括三個組成部分：1.結構靜強度試驗大綱和試驗方案：2.靜力試驗的結構試件：3.結構靜強度試驗過程。針對結構靜強度試驗的三個方面，所建立的結構靜強度虛擬試驗系統(tǒng)包含：結構靜強度試驗的試驗環(huán)境、試驗樣機和試驗過程的虛擬仿真。對于上述虛擬試驗系統(tǒng)的要求，建立試驗虛擬試驗系統(tǒng)平臺架構，由三個子系統(tǒng)組成，即：結構靜強度虛擬試驗環(huán)境子系統(tǒng)、試驗虛擬樣機子系統(tǒng)和虛擬試驗過程子系統(tǒng)。這三個子系統(tǒng)既相互關聯又相互獨立，試驗虛擬環(huán)境和試驗虛擬樣機子系統(tǒng)可以分別開發(fā)，并可以獨立運行或聯合運行。

（三）實施結構靜強度虛擬試驗的工作流程

基于現階段結構設計情況，以及結構強度虛擬試驗的特點、優(yōu)點，建議開展結構強度虛擬試驗技術研究，實施靜強度虛擬試驗。首先在總體、結構、強度集成設計平臺中建立結構強度虛擬試驗系統(tǒng)，用于提供結構強度虛擬試驗平臺結構虛擬試驗技術的核心內容是對設計的結構進行準確地結構破壞能力的強度評估，給出數值分析結果以及結構破壞模式。結構靜強度試驗虛擬試驗流程可以歸納為以下幾個階段1.制定試驗項目，編制試驗任務書、試驗大綱；2.進行結構有限元計算分析；3.進行虛擬試驗件設計，建立虛擬試驗環(huán)境，進行虛擬試驗；4.試驗結果評估，編制試驗報告。基于上述規(guī)劃的流程，并結合CAD/CAE技術，定制結構靜強度虛擬試驗過程。

五、開展結構強度虛擬試驗的一些思考

結構靜強度虛擬試驗系統(tǒng)的建立是開展結構強度虛擬試驗技術的開始。通過結構虛擬試驗結果與真實試驗結果的對比分析，不斷修正試驗環(huán)境、試驗樣機和試驗過程的建模方法和虛擬模型，建立結構靜力模型的校核、驗證和確認方法和標準，使得對于某些結構類型或某些試驗類型可以使用計算機仿真試驗代替。

參考文獻：

[1] 孫俠生，段世慧. 結構虛擬試驗與認證方法的發(fā)展趨勢. 計算機測量與控制

[2] 趙 雯，廖 馨，代 坤，彭 健. 虛擬試驗驗證技術發(fā)展思路研究，計算機測量與控制

作者簡介：羅樹東（1974—），男，漢族，安徽舒城人，高級工程師，研究方向為強度設計和驗證技術.