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【摘 要】本文对结构强度虚拟试验验证技术进行了初步研究，提出了构建结构静强度虚拟试验平台的基本架构和思路，以及实施结构强度虚拟试验技术的一般工作流程。
【关键词】结构强度 虚拟试验 物理试验
一、结构虚拟试验技术介绍
随着现代信息技术的飞速发展，建模与仿真、虚拟现实、计算机网络等技术也有了巨大发展，促成了仿真、虚拟技术与试验和评价的有效结合，正在改变着传统的设计流程。结构虚拟试验一般指能够预测结构破坏能力的评估结构强度的数值分析技术，该技术适用于金属材料和复合材料，适用于结构的准静态和动态响应。结构静强度试验规模大，费用高，试验过程中无法预测的问题难以避免，试验风险较大。对此，开展结构强度虚拟试验技术研究有着极大的必要性和十分重要的意义。
二、结构虚拟试验技术的内涵及特点
虚拟试验是在长期积累的大量有关数据、有关的力学模型以及各类三维模型的基础上，利用高性能计算机、网络环境、传感器或各种虚拟设备，建立能方便地进行人机交互的虚拟环境或虚实结合的环境，在此环境中对实体、物理样机或虚拟样机进行试验，用可视化的方法观察被试物体的性能及其相互间的关系，并对试验结果进行分析与研究。虚拟试验的内涵主要涉及三方面内容：（一）试验手段即试验所需仪器设备的虚拟；（二）试验对象的虚拟；（三）试验环境的虚拟。虚拟试验是相对于真实产品的物理试验而言的。虚拟试验技术属于可控制的、无破坏性的、耗费小并允许多次重复的试验手段。在复杂产品的研制过程中，虚拟试验不仅可以作为真实试验的前期准备工作，而且在一定程度上可以替代传统的物理试验，从而达到缩短新产品试验周期、降低试验费用、提高产品质量的目的。
虚拟试验不能完全代替真实试验，虚拟试验与真实的物理试验具有互补性。
三、结构虚拟试验与物理试验的关系
结构的虚拟试验与物理试验共同点都是验证结构的强度性能。但是虚拟试验与物理试验面向的对象不同，一个是数字模型，一个是真实物理模型，因此，所采用的试验方法和核心技术不同。虚拟试验主要研究如何建立准确的数学模型和如何利用数学模型准确分析结构响应，而常规结构试验则侧重于如何准确地加载和如何精确地测量结构的响应。
物理试验主要证明结构在试验载荷下结构是否破坏，用以验证结构的安全性，但是，物理试验的成本很高，而且物理试验通常并不做到破坏，即使进行破坏试验，也只能选取一种最危险载荷情况，验证破坏模式和破坏部位。虚拟试验可进行上千种仿真试验，验证每一种载荷情况及每一种可能导致破坏的载荷情况，覆盖面宽而且成本较小。
四、结构静强度虚拟试验技术
（一）结构强度试验虚拟试验要求
使用计算机仿真技术，通过结构强度静力虚拟仿真试验系统，在计算机上对虚拟的结构或结构部件进行结构强度静力虚拟仿真试验，即：虚拟结构静强度试验，可以验证与发现结构设计中的各种缺陷并及时修改，降低试验成本，缩短试验周期。虚拟结构静强度试验是计算机虚拟仿真试验，结构静强度试验仿真系统就是进行这种虚拟结构静强度试验的计算机软件系统。是结构强度试验的计算机仿真。
结构静强度试验计算机仿真系统通过虚拟的结构静强度试验过程可以预先演练真实结构静强度试验，发现试验方案与试验过程中可能存在的各种缺陷，保证真实强度试验的成功进行，在一定程度上可以取代部分结构静强度试验。
结构强度虚拟试验过程中存在着多种结构设计方案、多种分析模型，对这些设计方案和分析模型要进行对比分析和评估。对于每一种设计方案，无论是哪一种强度特征虚拟试验，都涉及到虚拟试验过程的流程组织与控制、过程数据的管理、不同部门之间的协调以及提高工作效率等问题。
为了解决上述问题需要选择一个仿真管理平台，在该平台上研发结构强度虚拟试验系统，为强度虚拟提供操作平台，从而建立虚拟试验架构。
（二）结构强度虚拟试验架构
结构静强度试验主要包括三个组成部分：1.结构静强度试验大纲和试验方案：2.静力试验的结构试件：3.结构静强度试验过程。针对结构静强度试验的三个方面，所建立的结构静强度虚拟试验系统包含：结构静强度试验的试验环境、试验样机和试验过程的虚拟仿真。对于上述虚拟试验系统的要求，建立试验虚拟试验系统平台架构，由三个子系统组成，即：结构静强度虚拟试验环境子系统、试验虚拟样机子系统和虚拟试验过程子系统。这三个子系统既相互关联又相互独立，试验虚拟环境和试验虚拟样机子系统可以分别开发，并可以独立运行或联合运行。
（三）实施结构静强度虚拟试验的工作流程
基于现阶段结构设计情况，以及结构强度虚拟试验的特点、优点，建议开展结构强度虚拟试验技术研究，实施静强度虚拟试验。首先在总体、结构、强度集成设计平台中建立结构强度虚拟试验系统，用于提供结构强度虚拟试验平台结构虚拟试验技术的核心内容是对设计的结构进行准确地结构破坏能力的强度评估，给出数值分析结果以及结构破坏模式。结构静强度试验虚拟试验流程可以归纳为以下几个阶段1.制定试验项目，编制试验任务书、试验大纲；2.进行结构有限元计算分析；3.进行虚拟试验件设计，建立虚拟试验环境，进行虚拟试验；4.试验结果评估，编制试验报告。基于上述规划的流程，并结合CAD/CAE技术，定制结构静强度虚拟试验过程。
五、开展结构强度虚拟试验的一些思考
结构静强度虚拟试验系统的建立是开展结构强度虚拟试验技术的开始。通过结构虚拟试验结果与真实试验结果的对比分析，不断修正试验环境、试验样机和试验过程的建模方法和虚拟模型，建立结构静力模型的校核、验证和确认方法和标准，使得对于某些结构类型或某些试验类型可以使用计算机仿真试验代替。
参考文献：
[1] 孙侠生，段世慧. 结构虚拟试验与认证方法的发展趋势. 计算机测量与控制
[2] 赵 雯，廖 馨，代 坤，彭 健. 虚拟试验验证技术发展思路研究，计算机测量与控制
作者简介：罗树东（1974—），男，汉族，安徽舒城人，高级工程师，研究方向为强度设计和验证技术.
【关键词】结构强度 虚拟试验 物理试验
一、结构虚拟试验技术介绍
随着现代信息技术的飞速发展，建模与仿真、虚拟现实、计算机网络等技术也有了巨大发展，促成了仿真、虚拟技术与试验和评价的有效结合，正在改变着传统的设计流程。结构虚拟试验一般指能够预测结构破坏能力的评估结构强度的数值分析技术，该技术适用于金属材料和复合材料，适用于结构的准静态和动态响应。结构静强度试验规模大，费用高，试验过程中无法预测的问题难以避免，试验风险较大。对此，开展结构强度虚拟试验技术研究有着极大的必要性和十分重要的意义。
二、结构虚拟试验技术的内涵及特点
虚拟试验是在长期积累的大量有关数据、有关的力学模型以及各类三维模型的基础上，利用高性能计算机、网络环境、传感器或各种虚拟设备，建立能方便地进行人机交互的虚拟环境或虚实结合的环境，在此环境中对实体、物理样机或虚拟样机进行试验，用可视化的方法观察被试物体的性能及其相互间的关系，并对试验结果进行分析与研究。虚拟试验的内涵主要涉及三方面内容：（一）试验手段即试验所需仪器设备的虚拟；（二）试验对象的虚拟；（三）试验环境的虚拟。虚拟试验是相对于真实产品的物理试验而言的。虚拟试验技术属于可控制的、无破坏性的、耗费小并允许多次重复的试验手段。在复杂产品的研制过程中，虚拟试验不仅可以作为真实试验的前期准备工作，而且在一定程度上可以替代传统的物理试验，从而达到缩短新产品试验周期、降低试验费用、提高产品质量的目的。
虚拟试验不能完全代替真实试验，虚拟试验与真实的物理试验具有互补性。
三、结构虚拟试验与物理试验的关系
结构的虚拟试验与物理试验共同点都是验证结构的强度性能。但是虚拟试验与物理试验面向的对象不同，一个是数字模型，一个是真实物理模型，因此，所采用的试验方法和核心技术不同。虚拟试验主要研究如何建立准确的数学模型和如何利用数学模型准确分析结构响应，而常规结构试验则侧重于如何准确地加载和如何精确地测量结构的响应。
物理试验主要证明结构在试验载荷下结构是否破坏，用以验证结构的安全性，但是，物理试验的成本很高，而且物理试验通常并不做到破坏，即使进行破坏试验，也只能选取一种最危险载荷情况，验证破坏模式和破坏部位。虚拟试验可进行上千种仿真试验，验证每一种载荷情况及每一种可能导致破坏的载荷情况，覆盖面宽而且成本较小。
四、结构静强度虚拟试验技术
（一）结构强度试验虚拟试验要求
使用计算机仿真技术，通过结构强度静力虚拟仿真试验系统，在计算机上对虚拟的结构或结构部件进行结构强度静力虚拟仿真试验，即：虚拟结构静强度试验，可以验证与发现结构设计中的各种缺陷并及时修改，降低试验成本，缩短试验周期。虚拟结构静强度试验是计算机虚拟仿真试验，结构静强度试验仿真系统就是进行这种虚拟结构静强度试验的计算机软件系统。是结构强度试验的计算机仿真。
结构静强度试验计算机仿真系统通过虚拟的结构静强度试验过程可以预先演练真实结构静强度试验，发现试验方案与试验过程中可能存在的各种缺陷，保证真实强度试验的成功进行，在一定程度上可以取代部分结构静强度试验。
结构强度虚拟试验过程中存在着多种结构设计方案、多种分析模型，对这些设计方案和分析模型要进行对比分析和评估。对于每一种设计方案，无论是哪一种强度特征虚拟试验，都涉及到虚拟试验过程的流程组织与控制、过程数据的管理、不同部门之间的协调以及提高工作效率等问题。
为了解决上述问题需要选择一个仿真管理平台，在该平台上研发结构强度虚拟试验系统，为强度虚拟提供操作平台，从而建立虚拟试验架构。
（二）结构强度虚拟试验架构
结构静强度试验主要包括三个组成部分：1.结构静强度试验大纲和试验方案：2.静力试验的结构试件：3.结构静强度试验过程。针对结构静强度试验的三个方面，所建立的结构静强度虚拟试验系统包含：结构静强度试验的试验环境、试验样机和试验过程的虚拟仿真。对于上述虚拟试验系统的要求，建立试验虚拟试验系统平台架构，由三个子系统组成，即：结构静强度虚拟试验环境子系统、试验虚拟样机子系统和虚拟试验过程子系统。这三个子系统既相互关联又相互独立，试验虚拟环境和试验虚拟样机子系统可以分别开发，并可以独立运行或联合运行。
（三）实施结构静强度虚拟试验的工作流程
基于现阶段结构设计情况，以及结构强度虚拟试验的特点、优点，建议开展结构强度虚拟试验技术研究，实施静强度虚拟试验。首先在总体、结构、强度集成设计平台中建立结构强度虚拟试验系统，用于提供结构强度虚拟试验平台结构虚拟试验技术的核心内容是对设计的结构进行准确地结构破坏能力的强度评估，给出数值分析结果以及结构破坏模式。结构静强度试验虚拟试验流程可以归纳为以下几个阶段1.制定试验项目，编制试验任务书、试验大纲；2.进行结构有限元计算分析；3.进行虚拟试验件设计，建立虚拟试验环境，进行虚拟试验；4.试验结果评估，编制试验报告。基于上述规划的流程，并结合CAD/CAE技术，定制结构静强度虚拟试验过程。
五、开展结构强度虚拟试验的一些思考
结构静强度虚拟试验系统的建立是开展结构强度虚拟试验技术的开始。通过结构虚拟试验结果与真实试验结果的对比分析，不断修正试验环境、试验样机和试验过程的建模方法和虚拟模型，建立结构静力模型的校核、验证和确认方法和标准，使得对于某些结构类型或某些试验类型可以使用计算机仿真试验代替。
参考文献：
[1] 孙侠生，段世慧. 结构虚拟试验与认证方法的发展趋势. 计算机测量与控制
[2] 赵 雯，廖 馨，代 坤，彭 健. 虚拟试验验证技术发展思路研究，计算机测量与控制
作者简介：罗树东（1974—），男，汉族，安徽舒城人，高级工程师，研究方向为强度设计和验证技术.