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试验仿真数据比对分析

【试验工程师·公益学习营】第九期第5讲

【试验工程师·公益学习营】总第45讲,于2020年11月20日如期举行,本期讲师是瑞风协同资深技术经理,流体力学专业硕士,在CAE仿真工具应用和工程仿真数据管理领域有十多年从业经验,对CAE仿真工具软件集成及二次开发、仿真数据可视化及仿真数据管理等方面的技术有深入了解,目前主要研究方向是工程仿真和虚拟试验。

本期课程重点分为以下四个方面:试验仿真数据比对分析意义及挑战、试验仿真数据比对分析总体思路、试验仿真数据比对分析关键技术、试验仿真数据比对分析建设效果。

 

一、试验仿真数据比对分析意义及挑战

在复杂产品的这个研发过程中,试验是必不可少的手段。试验种类繁多,手段多样,覆盖各个专业领域。试验数据处理软件丰富,包括:试验数据管理系统、实时试验数据采集软件、试验数据分析处理软件等。随着仿真工具的日渐成熟完善,仿真工程人员的水平的不断提高,应用越来越广泛,仿真逐渐成为复杂产品研制过程中十分重要的一个手段,其专业覆盖全面,例如:结构仿真(静力、振动、热分析、动力学)、流体仿真等。

目前,试验仿真数据对比分析面临的主要挑战有如下几个方面:

1、在物理试验进行时或结束后,并没有对物理试验和仿真数据进行全面、实时、有效的分析比对,这主要是因为巨量的数据比对工作在没有工具软件支撑的情况下,需要完全靠人工介入来实现,此过程会耗费大量人力物力。

2、现阶段一般只能实现物理试验结束后的部分数据的比对分析,根本无法实现数据的全面分析和实时分析,导致无法及时发现试验中的异常情况,无法及时评估物理试验数据的可靠性,无法及时验证数字化试验模型及结果的可信度,无法及时改进和优化物理试验方案。

3、不经比对评估的连续物理试验存在试验失败的可能性,进而可能会造成严重的试验资源浪费。

4、没有形成完整的试验验证与评价体系,缺乏物理试验与仿真数据之间验证与评价的基础能力与技术手段。

  

 

建设试验仿真数据比对分析系统改变了传统的试验模式,即从传统的“实物验证-改进实物-再试验”以实物验证为主的模式向“实物验证-仿真验证-虚实对比-改进试验/模型-实物验证”的“虚实结合”、“反馈迭代”的模式转变。

  

 

二、试验仿真数据比对分析总体思路

在试验进行过程中,试验仿真数据比对系统的首要目标是提供实时的试验数据与仿真数据比对与分析功能结合仿真数据监控物理试验参数变化,及时发现问题,提高试验成功率。以强度试验为例,强度试验仿真数据比对分析总体架构如下:

1、依托试验与仿真比对关键技术研究结果,建设试验仿真数据比对分析系统软件

2、试验仿真数据比对分析系统采用B/S(浏览器端)和C/S(客户端)相结合方式

3、B/S部分实现试验数据和仿真数据管理、可视化数据关联、可视化回放,C/S部分实现对试验数据的解析、实时数据监测、三维试验场景搭建、三维传感器设计、可视化比对分析和回放

强度试验仿真数据比对分析技术路线如下:

1、以三维设计模型为依据,进行三维测点标注,完成传感器的设计工作

2、根据传感器贴片设计结果在试验件上结合激光定位系统完成贴片

3、使用激光扫描系统对实际测点位置进行扫描,获得实际贴片位置,修正测点坐标

4、根据传感器位置坐标和有限元网格节点的位置对应关系,调用坐标匹配算法进行精准匹配

5、传感器实时采集试验数据与仿真结果数据进行比对

 

三、试验仿真数据比对分析关键技术

在建设强度试验仿真数据比对分析系统过程中,涉及到的一些关键的技术如下:

1、三维可视化虚拟传感器定位及计算技术

三维虚拟传感器布置建立了物理试验数据和仿真试验数据之间对应的联系,提高试验数据准确性,增加试验数据和仿真数据比对的易用性

从仿真试验结果中提取到测点的仿真数据,对应测点的应变片编号位置提取物理试验数据

  

 

2、一致性比对技术

主要包括:

试验模型与仿真模型一致性比对

试验工况与仿真工况一致性比对

环境因素等一致性比对

测点数据修正与匹配技术

激光扫描、坐标转换技术等

  

 

3、基于高速数据流机制的试验数据处理技术

试验数据高速处理技术采用多级分层缩微、多级缓存、数据显示快速定位查找等方法和机制,实现对试验实时数据的快速加载与显示。

4、数据接口技术

主要包括:

仿真模型结果处理与导入

三维几何模型和测点信息导入

试验数据导入导出接口

与第三方分析软件交互等

5、三维可视化场景技术

为了全面展示试验场景,需要进行数字化的试验现场的试验件、工作台以及工装夹具的构建和展示,实现基于试验场景的试验过程监控、试验数据监测和试验结果验证

三维场景搭建技术采用成熟图形内核来实现三维虚拟场景搭建,通过标准文件格式,来兼容现有的商用CAD模型,借助模型库管理技术实现基于数字化模型的三维虚拟场景的构建和显示

完整的三维场景实现试验件在试验过程中的各种状态变化,能及时反馈信息给用户,用户能直观的获取试验过程中的各种数据,与仿真数据比对查看

6、位移数据处理技术

采用插值方法,基于网格模型,对试验实时采集的位移值进行处理,绘制得到位移变形动画,对物理试验过程中的真实变形趋势进行评估。

7、应力应变场重构技术

实时接收物理试验数据,对物理试验数据进行预处理,结合局部测点采集试验数据和有限元网格模型,采用算法进行场重构,显示基于试验数据重构得到的应力、应变场云图

  

  

结果比对

8、试验仿真数据比对分析技术

  

 

折线图和散点图都清晰的表示了仿真和物理试验两组数据间的相关关系,优点是对相关关系的展现清晰,缺点是无法对相关关系进行准确的度量,缺乏说服力。并且当数据超过两组时也无法完成各组数据间的相关分析,需要通过具体数字来度量两组或两组以上数据间的相关关系和密切程度。因此要衡量和对比相关性的密切程度我们可以通过求解两组数据的相关系数得到最终的结果。

 

四、试验仿真数据比对分析关键建设效果

通过建设试验仿真数据比对分析系统能够:

1、对物理试验进行实时监测与评估,及时发现物理试验过程中的问题,并及时终止试验进行研判和改正,避免盲目试验带来的试验资源浪费,最大限度的保证物理试验的顺利进行。

2、对仿真模型进行反复的迭代验证,得到可信的仿真模型,可以更好地指导后续物理试验方案设计,有效的方案实施能够减少试验次数、降低试验成本、加快复杂产品研发。

3、以其作为基础进行相应的试验仿真计算,为之后类似的试验建立知识模型或者提供模板,使数字化仿真试验部分替代物理试验成为可能。

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