數(shù)字孿生軟件PeraDT面向物理試驗模型及試驗過程，針對于實物試驗的現(xiàn)狀，通過構建與實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、數(shù)字模型智能預測和性能評估、基于數(shù)據(jù)驅動的虛擬模型可視化等技術，建立形成虛擬試驗系統(tǒng)，在一定程度上以虛擬試驗代替物理試驗，通過虛擬可視化的設計與驗證演示過程，提高產品研發(fā)效率，縮短研發(fā)周期，提升產品性能。

虛擬數(shù)字化模型構建

針對實物模型，通過三維設計及仿真分析工具，結合模型降階技術，實現(xiàn)高保真虛擬數(shù)字化模型的構建，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容。

創(chuàng)成式三維建模的核心技術是基于三維設計軟件提供的API實現(xiàn)三維模型的屬性修改和參數(shù)驅動，從而實現(xiàn)對模型尺寸的修改。

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是在虛擬空間中對于物理樣機的真實模擬，要求有足夠高的物理實際保真度，才能夠還原出物理模型在各種載荷工況下的響應。

降階代理模型與實驗設計參數(shù)接口實現(xiàn)實驗設計參數(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，可以通過對實驗設計工具中抽樣過程數(shù)據(jù)，建立設計參數(shù)與響應參數(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

通過構件基于總線的搭建，將各個數(shù)字化模型之間進行快速的數(shù)據(jù)傳遞和交流，實現(xiàn)軟件和軟件間的多學科數(shù)據(jù)交互和串接。通過可配置式數(shù)據(jù)接口，可以實現(xiàn)在虛擬空間內多個物理場、多個數(shù)字樣機之間自動的數(shù)據(jù)傳遞。

圖3模型數(shù)據(jù)互動過程

模型智能預測和性能評估

通過自動拾取試驗數(shù)據(jù)結果與仿真計算結果進行分析對比，驗證所建立的數(shù)學模型是否符合要求，若數(shù)學模型計算結果與試驗結果偏差較大，則對數(shù)學模型進行相應的模型修正。結合智能優(yōu)化算法，可自動完成基于試驗數(shù)據(jù)的數(shù)學模型修正過程，實現(xiàn)對虛擬樣機的模型優(yōu)化設計。通過多維度的仿真對數(shù)字模型進行全方位的評估，并將其用于實物模型的性能預測。

圖4模型優(yōu)化過程

虛擬可視化

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

由于建立的虛擬數(shù)字模型與現(xiàn)實物理空間中的物理樣機會存在差異，在數(shù)據(jù)映射時往往需要耦合插值算法來實現(xiàn)虛擬樣機與現(xiàn)實物理空間的數(shù)據(jù)映射。

圖5異構模型數(shù)據(jù)映射過程

針對于虛擬試驗模型及數(shù)據(jù)，基于可視化仿真技術，實現(xiàn)基于仿真/實驗數(shù)據(jù)驅動的虛擬可視化演示，包括幾何模型、仿真模型、試驗數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)等內容，支持對試驗過程進行動態(tài)回放。

圖6虛擬可視化場景

項目案例——虛擬抗震試驗系統(tǒng)

基于實物的抗震實驗所需投入人力及試驗設備的成本很高，持續(xù)時間長，系統(tǒng)模型非常復雜，包括控制、液壓、機械、動力學分析、流體力學分析等多個學科。各學科的物理模型所涉及的分析難點也相當大，機械系統(tǒng)模型涉及非完全彈性碰撞力學模型和有水膜的接觸摩擦模型，這些模型在構建上有存在很大的難度。

虛擬抗震試驗系統(tǒng)由虛擬機械子系統(tǒng)與電液子系統(tǒng)構成，兩個子系統(tǒng)作為面向業(yè)務的基礎環(huán)境，具備多學科綜合仿真設計的能力，構建實驗臺架與實驗本體的測試與驗證環(huán)境，支持一維和三維閉環(huán)計算、基于仿真模型和實驗數(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，實現(xiàn)高性能的計算作業(yè)提交，并支持調用數(shù)字實驗數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)與知識，實現(xiàn)設計與仿真應用過程的知識推送與伴隨。通過對實驗過程的虛擬模擬分析，找出試驗的薄弱環(huán)節(jié)，減少物理實驗次數(shù)，大大增加試驗成功的概率。

圖7虛擬抗震試驗系統(tǒng)