虚实结合试验验证技术分析

【工业软件学习营】第三期第2讲

【工业软件学习营】总第62讲，于2021年5月21日如期举行，本期讲师是北京瑞风协同科技股份有限公司设计仿真工具部经理，具有十余年的软件开发和架构设计经验，主持研发装备虚拟试验系统、实物试验与虚拟试验数据实时对比系统。

本期课程重点分为以下四个方面：虚实结合试验的定义是什么、虚实对比的验证具体怎样操作、虚实结合试验验证关键技术都有哪些、虚实结合试验验证实际应用中的效果如何。

一、物理试验与虚拟试验概述

1. 物理试验与虚拟试验概述

• 航空、航天、船舶、兵器等领域的大型复杂装备，需要进行大量的物理试验来验证装备的性能指标和技术指标是否满足。但是物理试验存在物理试验成本高、物理试验周期长、物理试验验证内容有限、一些物理试验不可重复、物理试验不能进行故障验证等问题。
• 随着计算机技术的发展，通过引入虚拟试验，在虚拟环境中采用与真实物理试验相同的工况、载荷、加载动作、环境等，以虚拟仿真技术为基础在虚拟环境中完整再现物理试验场景。一方面，可以指导试验方案的设计，提高物理试验成功率；另一方面可以通过物理试验数据来修正虚拟试验模型，提高虚拟试验模型及结果的可信度，一定程度替代传统的物理试验，减少物理样机制造试验次数，加快结构选型和验证速度，减少试验风险，缩短试验周期，降低研制成本。

2. 虚实结合试验验证概述

• 传统试验验证，以物理试验验证评估为主，无法实现数据的实时分析和全面分析；
• 以虚拟仿真为主的验证，无法确认虚拟仿真模型的可信度。虚拟试验与物理试验数据人工比对难度大，效率低；
• 虚实结合试验验证，以物理试验和虚拟试验相结合的试验验证方式，实现物理试验与虚拟试验数据实时比对及验证评估。能够及时发现物理试验中的异常情况、评估物理试验数据的可靠性。同时可以通过物理试验数据修正虚拟试验模型，从而得到可信度高的虚拟试验模型及数据，指导后续类似试验。

 

 

3. 虚实结合试验验证总体思路

• 通过虚实结合完成试验数据收集、对比和分析，进行模型校核验证；
• 支持虚拟仿真结果与实际的物理试验数据映射对比，实现虚实结合试验验证；
• 虚实结合试验评估得到可信度高的虚拟仿真模型和模板。

 

二、虚实结合试验验证方法

1. 虚实结合试验验证系统模型

• 以结构强度试验为例进行物理试验与虚拟试验试验验证技术分析；
• 实现面向试验的虚实结合实时对比，达到直观、全面的试验可视化展现与交互，结合虚实融合对比，达到“以虚辅实，互为验证”的目的，完成对试验的验证评估。

2. 虚实对比验证

1）实时对比总体架构

• 以虚实结合试验验证系统模型为基础，实现虚实结合虚实实时对比验证；
• 采用B/S（浏览器端）和C/S（客户端）相结合方式；
• B/S部分实现物理试验和虚拟试验数据管理、可视化数据关联等，C/S部分实现对试验数据的解析、实时数据监测、三维传感器设计、可视化对比分析和可视化回放、生成验证报告等功能。

2. 实时对比应用流程-准备阶段

• 虚拟仿真数据源

   对虚拟试验模型与结果进行轻量化，提取仿真模型、仿真结果、材料属性、传感器设计数据，支持设置仿真数据源并进行检查。

• 试验数据源

   配置采集的服务器参数，启动试验数据监测控制器，实时采集物理试验数据。

• 可视化界面控件
• 插值算法

支持对插值算法的新增、修改与删除。

2）实时对比应用流程-执行阶段

• 采集物理试验数据用于试验实时显示，再将试验数据进行存储；
• 根据配置的虚拟仿真数据源，提取匹配测点数据，与测点试验数据进行对比，得到关键点动态对比曲线；
• 根据仿真数据进行仿真实时位移变形显示，根据线性插值结果，进行虚拟试验与物理试验数据的位移变形三维实时对比显示；
• 根据仿真数据进行仿真实时三维云图显示，根据参数场重构结果，进行虚拟试验与物理试验数据的三维云图实时对比显示。

2）实时对比应用流程-总结阶段

• 读取虚实比对试验数据，进行试验过程的可视化回放；
• 根据虚实对比结果生成虚实对比报告；
• 根据虚实对比报告，指导仿真模型进行人工修正及后续试验评估等。

3. 虚实数据相关性分析

• 对虚拟试验数据和物理试验数据进行相关性分析，分析以折线图、散点图、皮尔逊系数三种方式呈现；
• 相关性吻合度低的，修改模型和试验参数建立可靠性高的试验模型；
• 虚实数据相关性分析技术成为虚拟试验验证有效的手段之一，为虚拟试验提供验证方法和工具。

 

 

• 为了更清晰的对比这两组数据的变化和趋势，我们使用双坐标轴折线图，其中主坐标轴用来绘制虚拟试验位移数据，次坐标轴用来绘制物理试验位移的数据。

• 比折线图更直观的是散点图。散点图去除了加载级维度的影响，只关注虚拟试验和物理试验位移这里两组数据间的关系。在绘制散点图之前，我们将虚拟试验位移标识为X，也就是自变量，将物理试验位移标识为y，也就是因变量。

• 折线图和散点图都清晰的表示了虚拟试验和物理试验两组数据间的相关关系，优点是对相关关系的展现清晰，缺点是无法对相关关系进行准确的度量，缺乏说服力。并且当数据超过两组时也无法完成各组数据间的相关分析，要通过具体数字来度量两组或两组以上数据间的相关关系和密切程度，我们通过求解两组虚实数据的皮尔逊相关系数得到最终结果。

  

 

3. 虚拟试验验证评估

1. 可信度验证

• 虚拟试验评估中，可信性评估是所有评估的核心；
• 全面的虚拟试验验证评价，给出虚拟试验模型的可信度指标；
• 置信度较低的模型，需要对模型参数进行调整，重新进行虚拟试验，试验后再进行验证评估。通过迭代提高模型的可信度，为后续重复利用提供依据。

2. 虚拟试验模型验证

• 通过虚拟试验数据与物理试验数据校核验证，进行虚拟试验模型修正。

3. 虚拟试验与物理试验模型一致性评估

• 通过对比虚拟试验模型的相关属性数据与结构产品的结构设计要求的数据，来获得两组数据的相关系数，评价两组模型数据的一致性。

• 参与比对的模型属性参数包括：质量、质心、惯性矩和刚度，通过虚拟试验模型的参数值与结构设计要求值进行对比分析，获得两组数据的相关系数，完成模型一致性评估。

4. 专家评估

三、虚实结合试验验证关键技术

1. 虚拟试验数据提取技术

• 虚拟仿真结果文件格式复杂，没有通用接口，不易读取；
• 研究虚拟仿真数据的解析与提取技术，针对不同仿真数据格式和特点，编写数据脚本文件，对仿真结果进行解析和提取；
• 将关键结果数据如应力应变位移提取到数据库中，再供后续虚实对比功能使用。

2. 三维可视化虚拟传感器布置技术

• 提供三维环境虚拟传感器设计，在测点位置设计安装方向、传感器类型、牌号等属性，在试验件上生成传感器的形象化表达；
• 三维虚拟传感器布置建立了物理试验数据和虚拟试验数据之间对应的联系，提高试验数据准确性，增加物理试验数据和虚拟试验数据对比的易用性；
• 从虚拟试验结果中提取到测点的仿真数据，对应测点的应变片编号位置提取物理试验数据。

 

3. 试验数据多线程并行处理技术

• 采用数据多线程并行处理技术，实现实时数据从转采服务器到数据监视控制器，再由数据监视控制器把处理后的数据分发到各个监视窗口进行统一实时对比显示。

 

4. 三维可视化场景技术

• 为了全面展示试验场景，需要进行数字化的试验现场的试验件、工作台以及工装夹具的构建和展示，实现基于试验场景的试验过程监控、试验数据监测和试验结果验证；
• 三维场景搭建技术采用成熟图形内核来实现三维虚拟场景搭建，通过标准文件格式，来兼容现有的商用CAD模型，借助模型库管理技术实现基于数字化模型的三维虚拟场景的构建和显示；
• 完整的三维场景实现试验件在试验过程中的各种状态变化，能及时反馈信息给用户。

 

5. 基于网格单元的三维模型显示及云图渲染技术

• 数据处理

虚拟仿真数据处理和实时试验数据处理

• 图形图像处理

运用图像图像引擎进行图形图像处理，首先构建网格单元对象（如：三角形、四边形等），再构建显示模型对象，完成三维模型的创建

• 云图显示

运用三维显示技术，设置显示参数，调用模型显示和刷新函数，完成三维云图模型的显示

 

6. 有限数据场重构技术

• 判断网格节点是否与传感器测点位置是否重合；
• 计算每个传感器点对该网格节点的权重系数，根据距离倒数插值算法计算每个网格节点的插值结果；
• 对比色度条属性赋予每个网格节点相应的渲染颜色值，从而得到选定区域的实时三维参数场云图，用于与仿真结果云图进行比对。

 

 

四、虚实结合试验验证应用效果

1. 应用案例

某单位在装备静强度试验中采用虚实结合的试验对比系统完成试验验证评估，具体实施流程如下：

• 激光扫描操作间逆向扫描得到试验件CAD模型，试验管理人员在该试验模型上进行测点设计，传感器安装布局设计。在虚实对比系统中导入虚拟试验数据进行数据解析提取；
• 静力试验现场通过单向网闸向虚实对比服务器传输物理试验数据；
• 实时采集解析物理试验数据；
• 虚实对比客户端以曲线、三维云图等方式实时可视化显示虚实对比；
• 虚实结合进行模型验证、模型一致性评估、专家评估等。

2. 应用效果

• 以虚拟试验模型及数据进行验证，由于虚拟试验完全再现物理试验场景，虚拟试验模型及工况更加接近于物理试验，使虚实结合试验验证更加可靠；
• 实时进行虚拟试验与物理试验数据比较，及时发现物理试验异常叫停试验，避免试验资源浪费；
• 虚拟试验与物理试验数据进行虚实融合比较，通过试验验证与评估，得到可信度高的虚拟试验模型，作为类似试验项目的模板，提高物理试验成功率，从而节约了研制成本；
• 虚实结合试验验证分析过程直观可视，减少出错机会，提高试验方案准确性；
• 对虚拟试验与实物试验数据及相关的试验资源数据进行统一管理，为企业储存试验知识模型和宝贵的数字资产，提高装备试验精准决策能力。