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让原来几个星期的工作缩短到几天之内完成 VTAS是一种怎样的体验

  1、加热虚拟试验技术应用背景

  结构热试验是根据热效应等效机理,采用地面加热方法按时序模拟装备产品受热情况,考核装备产品的热承受能力,验证和评估受热结构设计及完整性的有效方法。结构热试验技术的发展水平对飞行器研制具有十分重要影响。例如飞机、导弹和火箭等高速飞行器以高马赫数在大气层中飞行时会出现“热障”现象。“热”作为超声速飞行器结构设计的一种载荷,在结构设计和强度中必须考虑,结构热试验成为验证和鉴定高超声速飞行器结构设计的重要手段。

 

  图1飞机突破音障热障瞬间

 

  图2反航母弹道导弹突破热障瞬间

 

  高速飞行器地面热试验具有以下特点:采用全尺寸结构件进行试验,按照飞行时序对结构受热进行多温度状态的加热模拟;温度范围-160 ℃~1800 ℃以上,最大温升率甚至达到150 ℃ /s;多次试验可重复性差。

 

  图3 火箭典型热试验示意图

 

  又如航天卫星的热真空试验,模拟卫星在空间的真空、冷黑和太阳辐射环境下工作的地面试验,试验对象主要为空间站部件、卫星整机或部件。试验通过复杂的加热系统模拟太阳辐射,对试验件加热,使用热电偶或热电阻进行温度采集;通过闭环控制对不同温区进行加热。

 

  图4卫星热真空试验

 

  结构热试验面临诸多挑战:试验件型号装备造价高,加热环境恶劣,热试验系统复杂,热试验的各种风险大。其中,最为重要也是最难之处是,地面热试验的辐射热源规划方案怎么获得?过去,试验人员需要反复尝试和调试,人工方式花费几星期甚至几个月的时间进行尝试摸索,最终也只是获得较为理想的辐射热源加热试验方案,要想获得多种气动加热条件下的温度分布状态,这样的人工工作变得及其耗费人力财力,温度过高或过低都会导致试验结果可信度极低。

  2、加热虚拟试验业务系统VTAS V2.0

  作为高新技术企业,星云智熵科技(北京)有限公司(以下简称:星云智熵)一直致力于装备制造业的虚拟试验和数字化工程业务领域,坚持为客户提供更全面、高效、智能、安全的软件产品和专业服务。近年以来,在其深厚的仿真能力基础上结合虚拟样机和真实试验数据,采用系统工程方法、虚拟现实技术和计算机仿真技术,面向工程试验任务研发出了新一代的集虚拟试验建模、虚拟试验分析、虚拟试验数据管理和流程管理与一体的虚拟试验软件平台,包含加热虚拟试验、振动虚拟试验、结构虚拟试验、噪声虚拟试验等子产品,帮助客户实现虚实结合的试验验证体系,目前正被越来越广泛地应用于装备制造业各行业的自主创新研发中。

  在地面加热试验领域,美国等发达国家已经将虚拟试验技术固化到典型热试验流程中,根据虚拟试验结果指导试验加热设计和边界设计,并与热试验结果一起用于结构热分析。在国内星云智熵率先开展了虚拟加热试验技术研究,与瑞风协同联合研发推出全新一代的“加热虚拟试验业务系统VTAS V2.0”的标准化软件产品,帮助用户将原来几个星期的工作缩短到几天之内完成:

  Ø 基于VTAS实现地面加热试验的热源设计方案的规划与优化功能,帮助试验人员设计出精准的多组辐射热源的布置和热源功率,精准地加热并使被试验飞行器结构表面温度分布,精准地接近甚至等效于飞行器在空中飞行时的气动加热温度分布状态;

  Ø 基于VTAS系统可以进行试验预示研究,探索物理试验的各种工况和破坏极限状态,为真实物理试验工况和过程控制提供强有力的指导;

  Ø 基于VTAS开展与物理试验一致的虚拟试验工况研究,并与物理试验进行虚实对比和相互修正校验。

 

  图5加热虚拟试验业务系统VTAS V2.0功能示意图

 

  3、加热虚拟试验业务系统VTAS的客户应用价值

  加热虚拟试验业务系统VTAS V2.0具有以下应用优势和价值:

  Ø 在全三维可视化交互环境下, 方便快速地进行三维热试验场景搭建、加热器排布、热源设置、快速热分布计算并输出加热试验方案,实现与真实地面加热试验一致的虚拟加热试验业务;

  Ø 融合加热试验的试验流程、试验原理、试验数据等核心内容,简化和规范了加热虚拟试验操作过程,全过程智能化向导让试验分析人员易学易用,高效工作,在虚拟条件下能够快速让试验件达到特定的温度,使原来几个星期的工作在几个小时内完;

  Ø 精准的加热热源方案、试验预示和试验过程方案的获取,大大提升降低试验难度,提升试验成功率、试验结果精度和可信度,降低装备研发风险和成本;

  Ø 采用加热虚拟试验业务系统,试验次数不受限制,试验工况不受限制,试验过程具有良好的可重复性,提供了比实物试验更加丰富的可能。

  4、加热虚拟试验业务系统VTAS的工程应用及用户评价

  航空某设计研究所在地面加热试验过程中,采用加热虚拟试验业务系统VTAS V2.0,完成对辐射源加热规划设计方案的设计与优化,针对真实加热试验工况进行全面的预示,并完成物理试验工况选择及试验过程方案的规划,采用大量虚拟试验丰富和完善真实地面加热试验工况,并实现虚实对比研究。

 

  图6 应用案例示意图

 

  采用加热虚拟试验业务系统VTAS V2.0后,用户对辐射加热模拟的高效性、全三维可视化交互的便利性和温度控制精准性感到非常满意。VTAS根据试验任务对试验结果进行预示、试验方案指导物理试验实施,实现物理试验无法完成的极限工况,不限次数的反复迭代仿真,缩短试验周期。用户在试验结果高可信度,全过程低风险以及良好试验经济性方面都给予了高度的评价。

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