數(shù)字孿生軟件PeraDT面向物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸囼?yàn)過程，針對(duì)于實(shí)物試驗(yàn)的現(xiàn)狀，通過構(gòu)建與實(shí)物模型高度保真的虛擬數(shù)字化模型，利用基于數(shù)據(jù)總線的模型數(shù)據(jù)互動(dòng)、數(shù)字模型智能預(yù)測(cè)和性能評(píng)估、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的虛擬模型可視化等技術(shù)，建立形成虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)，在一定程度上以虛擬試驗(yàn)代替物理試驗(yàn)，通過虛擬可視化的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證演示過程，提高產(chǎn)品研發(fā)效率，縮短研發(fā)周期，提升產(chǎn)品性能。

虛擬數(shù)字化模型構(gòu)建

針對(duì)實(shí)物模型，通過三維設(shè)計(jì)及仿真分析工具，結(jié)合模型降階技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高保真虛擬數(shù)字化模型的構(gòu)建，包括創(chuàng)成式三維建模、高保真仿真建模以及降階建模的內(nèi)容。

創(chuàng)成式三維建模的核心技術(shù)是基于三維設(shè)計(jì)軟件提供的API實(shí)現(xiàn)三維模型的屬性修改和參數(shù)驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)模型尺寸的修改。

圖1創(chuàng)成式三維幾何建模示意圖

高保真的三維仿真虛擬樣機(jī)是在虛擬空間中對(duì)于物理樣機(jī)的真實(shí)模擬，要求有足夠高的物理實(shí)際保真度，才能夠還原出物理模型在各種載荷工況下的響應(yīng)。

降階代理模型與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)接口實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)與代理模型參數(shù)之間的參數(shù)數(shù)據(jù)以及類型的傳遞，可以通過對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工具中抽樣過程數(shù)據(jù)，建立設(shè)計(jì)參數(shù)與響應(yīng)參數(shù)之間的降階代理模型。

圖2降階建模過程

模型數(shù)據(jù)互動(dòng)

通過構(gòu)件基于總線的搭建，將各個(gè)數(shù)字化模型之間進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)傳遞和交流，實(shí)現(xiàn)軟件和軟件間的多學(xué)科數(shù)據(jù)交互和串接。通過可配置式數(shù)據(jù)接口，可以實(shí)現(xiàn)在虛擬空間內(nèi)多個(gè)物理場(chǎng)、多個(gè)數(shù)字樣機(jī)之間自動(dòng)的數(shù)據(jù)傳遞。

圖3模型數(shù)據(jù)互動(dòng)過程

模型智能預(yù)測(cè)和性能評(píng)估

通過自動(dòng)拾取試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，驗(yàn)證所建立的數(shù)學(xué)模型是否符合要求，若數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果偏差較大，則對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行相應(yīng)的模型修正。結(jié)合智能優(yōu)化算法，可自動(dòng)完成基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型修正過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬樣機(jī)的模型優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過多維度的仿真對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行全方位的評(píng)估，并將其用于實(shí)物模型的性能預(yù)測(cè)。

圖4模型優(yōu)化過程

虛擬可視化

通過仿真手段實(shí)現(xiàn)數(shù)字樣機(jī)的全三維可視化，可以查看和統(tǒng)計(jì)各種物理量數(shù)值和物理現(xiàn)象。

由于建立的虛擬數(shù)字模型與現(xiàn)實(shí)物理空間中的物理樣機(jī)會(huì)存在差異，在數(shù)據(jù)映射時(shí)往往需要耦合插值算法來實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)與現(xiàn)實(shí)物理空間的數(shù)據(jù)映射。

圖5異構(gòu)模型數(shù)據(jù)映射過程

針對(duì)于虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皵?shù)據(jù)，基于可視化仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于仿真/實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的虛擬可視化演示，包括幾何模型、仿真模型、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)等內(nèi)容，支持對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)回放。

圖6虛擬可視化場(chǎng)景

項(xiàng)目案例——虛擬抗震試驗(yàn)系統(tǒng)

基于實(shí)物的抗震實(shí)驗(yàn)所需投入人力及試驗(yàn)設(shè)備的成本很高，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)模型非常復(fù)雜，包括控制、液壓、機(jī)械、動(dòng)力學(xué)分析、流體力學(xué)分析等多個(gè)學(xué)科。各學(xué)科的物理模型所涉及的分析難點(diǎn)也相當(dāng)大，機(jī)械系統(tǒng)模型涉及非完全彈性碰撞力學(xué)模型和有水膜的接觸摩擦模型，這些模型在構(gòu)建上有存在很大的難度。

虛擬抗震試驗(yàn)系統(tǒng)由虛擬機(jī)械子系統(tǒng)與電液子系統(tǒng)構(gòu)成，兩個(gè)子系統(tǒng)作為面向業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)環(huán)境，具備多學(xué)科綜合仿真設(shè)計(jì)的能力，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)臺(tái)架與實(shí)驗(yàn)本體的測(cè)試與驗(yàn)證環(huán)境，支持一維和三維閉環(huán)計(jì)算、基于仿真模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的模型修正以及仿真過程的可視化展示等功能，并集成與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)高性能的計(jì)算作業(yè)提交，并支持調(diào)用數(shù)字實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)與知識(shí)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與仿真應(yīng)用過程的知識(shí)推送與伴隨。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的虛擬模擬分析，找出試驗(yàn)的薄弱環(huán)節(jié)，減少物理實(shí)驗(yàn)次數(shù)，大大增加試驗(yàn)成功的概率。

圖7虛擬抗震試驗(yàn)系統(tǒng)