风洞特种试验机构（简称:试验机构）是进行飞行器复杂气动试验的重要装置。在狭小空间约束和复杂气动力载荷作用下,试验机构容易发生碰撞和断裂等事故。急需研发先进的监控系统实现碰撞预测及复杂气动载荷下的机构力学响应监测。针对此问题,本文基于数字孪生思想开展了试验机构监控系统的研究,主要研究内容如下。1)系统的分析了试验机构监控系统的实际需求,提出一种基于数字孪生技术的试验机构监控方法。在研究设计目标和设计原则的基础上,制定了系统研究的总路线,并选择Unity作为数字孪生基础平台,提供监控研究中可视化支持。2)碰撞预测方面,针对传统包围盒检测中,检测精度较低且未能实现碰撞预测的问题,提出一种基于当前帧和预测帧的试验机构孪生对象双层碰撞预测算法。算法包括第一层包围盒碰撞预测和第二层风险三角片面碰撞预测,并在预测下一帧碰撞的同时检测当前帧碰撞,实现对预测结果的复核。针对试验机构的环境约束特点,设计了一种HOLE包围体,解决了常见包围盒不适用孔洞结构的问题。根据动态物体速度方向,筛选风险三角片面,减少算法第二层图元检测运算量。实验表明,本文碰撞预测算法能有效提高图元检测效率,有效预测碰撞发生。3)机构力学响应监测方面,针对原有应力监测中电桥法布线复杂,无法获取零件整体变形和应力分布的问题,提出一种基于变形、应力回归模型仿真的试验机构变形应力实时监控方法。根据整体机构受力分析,获取机构薄弱环节,并基于APDL程序获取表面特征点数据,形成了神经网络数据集,然后通过GSO-BP神经网络拟合有限元仿真数据形成了力学响应回归模型。测试结果显示,监控平台支杆受力变形和应力分布结果接近于ANSYS有限元软件仿真结果,最大变形误差仅0.125mm,应力分布基本相同,而计算时间相比ANSYS显著降低,能实现力学响应监控要求。4)完成了特种试验机构监控系统的集成与实现。基于Unity数字孪生基础平台,集成了机构碰撞预测以及力学响应监测模块并完成了监控系统界面实现。集成后系统能有效实现碰撞预测及复杂气动载荷下的机构力学响应监测,提升了机构监控水平。