【摘 要】本文對結(jié)構(gòu)強度虛擬試驗驗證技術(shù)進行了初步研究，提出了構(gòu)建結(jié)構(gòu)靜強度虛擬試驗平臺的基本架構(gòu)和思路，以及實施結(jié)構(gòu)強度虛擬試驗技術(shù)的一般工作流程。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)強度 虛擬試驗 物理試驗

一、結(jié)構(gòu)虛擬試驗技術(shù)介紹

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，建模與仿真、虛擬現(xiàn)實、計算機網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)也有了巨大發(fā)展，促成了仿真、虛擬技術(shù)與試驗和評價的有效結(jié)合，正在改變著傳統(tǒng)的設(shè)計流程。結(jié)構(gòu)虛擬試驗一般指能夠預測結(jié)構(gòu)破壞能力的評估結(jié)構(gòu)強度的數(shù)值分析技術(shù)，該技術(shù)適用于金屬材料和復合材料，適用于結(jié)構(gòu)的準靜態(tài)和動態(tài)響應。結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)強度虛擬試驗技術(shù)研究有著極大的必要性和十分重要的意義。

二、結(jié)構(gòu)虛擬試驗技術(shù)的內(nèi)涵及特點

虛擬試驗是在長期積累的大量有關(guān)數(shù)據(jù)、有關(guān)的力學模型以及各類三維模型的基礎(chǔ)上，利用高性能計算機、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、傳感器或各種虛擬設(shè)備，建立能方便地進行人機交互的虛擬環(huán)境或虛實結(jié)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(guān)系，并對試驗結(jié)果進行分析與研究。虛擬試驗的內(nèi)涵主要涉及三方面內(nèi)容：（一）試驗手段即試驗所需儀器設(shè)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(chǎn)品的物理試驗而言的。虛擬試驗技術(shù)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(chǎn)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(chǎn)品試驗周期、降低試驗費用、提高產(chǎn)品質(zhì)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(jié)構(gòu)虛擬試驗與物理試驗的關(guān)系

結(jié)構(gòu)的虛擬試驗與物理試驗共同點都是驗證結(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)不同。虛擬試驗主要研究如何建立準確的數(shù)學模型和如何利用數(shù)學模型準確分析結(jié)構(gòu)響應，而常規(guī)結(jié)構(gòu)試驗則側(cè)重于如何準確地加載和如何精確地測量結(jié)構(gòu)的響應。

物理試驗主要證明結(jié)構(gòu)在試驗載荷下結(jié)構(gòu)是否破壞，用以驗證結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)靜強度虛擬試驗技術(shù)

（一）結(jié)構(gòu)強度試驗虛擬試驗要求

使用計算機仿真技術(shù)，通過結(jié)構(gòu)強度靜力虛擬仿真試驗系統(tǒng)，在計算機上對虛擬的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)部件進行結(jié)構(gòu)強度靜力虛擬仿真試驗，即：虛擬結(jié)構(gòu)靜強度試驗，可以驗證與發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)靜強度試驗是計算機虛擬仿真試驗，結(jié)構(gòu)靜強度試驗仿真系統(tǒng)就是進行這種虛擬結(jié)構(gòu)靜強度試驗的計算機軟件系統(tǒng)。是結(jié)構(gòu)強度試驗的計算機仿真。

結(jié)構(gòu)靜強度試驗計算機仿真系統(tǒng)通過虛擬的結(jié)構(gòu)靜強度試驗過程可以預先演練真實結(jié)構(gòu)靜強度試驗，發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)靜強度試驗。

結(jié)構(gòu)強度虛擬試驗過程中存在著多種結(jié)構(gòu)設(shè)計方案、多種分析模型，對這些設(shè)計方案和分析模型要進行對比分析和評估。對于每一種設(shè)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(shù)據(jù)的管理、不同部門之間的協(xié)調(diào)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(jié)構(gòu)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(gòu)。

（二）結(jié)構(gòu)強度虛擬試驗架構(gòu)

結(jié)構(gòu)靜強度試驗主要包括三個組成部分：1.結(jié)構(gòu)靜強度試驗大綱和試驗方案：2.靜力試驗的結(jié)構(gòu)試件：3.結(jié)構(gòu)靜強度試驗過程。針對結(jié)構(gòu)靜強度試驗的三個方面，所建立的結(jié)構(gòu)靜強度虛擬試驗系統(tǒng)包含：結(jié)構(gòu)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(gòu)，由三個子系統(tǒng)組成，即：結(jié)構(gòu)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(guān)聯(lián)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(lián)合運行。

（三）實施結(jié)構(gòu)靜強度虛擬試驗的工作流程

基于現(xiàn)階段結(jié)構(gòu)設(shè)計情況，以及結(jié)構(gòu)強度虛擬試驗的特點、優(yōu)點，建議開展結(jié)構(gòu)強度虛擬試驗技術(shù)研究，實施靜強度虛擬試驗。首先在總體、結(jié)構(gòu)、強度集成設(shè)計平臺中建立結(jié)構(gòu)強度虛擬試驗系統(tǒng)，用于提供結(jié)構(gòu)強度虛擬試驗平臺結(jié)構(gòu)虛擬試驗技術(shù)的核心內(nèi)容是對設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行準確地結(jié)構(gòu)破壞能力的強度評估，給出數(shù)值分析結(jié)果以及結(jié)構(gòu)破壞模式。結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)有限元計算分析；3.進行虛擬試驗件設(shè)計，建立虛擬試驗環(huán)境，進行虛擬試驗；4.試驗結(jié)果評估，編制試驗報告。基于上述規(guī)劃的流程，并結(jié)合CAD/CAE技術(shù)，定制結(jié)構(gòu)靜強度虛擬試驗過程。

五、開展結(jié)構(gòu)強度虛擬試驗的一些思考

結(jié)構(gòu)靜強度虛擬試驗系統(tǒng)的建立是開展結(jié)構(gòu)強度虛擬試驗技術(shù)的開始。通過結(jié)構(gòu)虛擬試驗結(jié)果與真實試驗結(jié)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(jié)構(gòu)靜力模型的校核、驗證和確認方法和標準，使得對于某些結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)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(shè)計和驗證技術(shù).