仿真深层应用之三：虚拟试验

虚拟试验是仿真在试验领域更为体系化的应用，是试验仿真的深层次发展。随着现代技术的发展，产品越来越复杂，传统试验方法已无法满足客户对加速装备研制和部署、降低研制风险和成本、提高经济可承受性的需求。于是，在信息技术、仿真技术等飞速发展和广泛应用的推动下，自20世纪80年代起，各国开始寻求产品试验验证技术的变革，虚拟试验技术是其中一项重要策略。

1.虚拟试验概述

虚拟试验是一种贯穿于复杂产品研制全生命周期，涉及关键系统数据产生、获取、分析和评价的系统工程。在产品研制过程中，采用虚拟试验技术可以解决大型试验设施能力不足问题，减少试验投资，缩短研制周期。例如，美国在研制第四代攻击机F-35项目时就提出目目标：从设计到飞行试验全面数字化，研制周期较F-22缩短一半，风洞吹风试验减少75%，试飞飞行架次减少40%，定型试验周期缩短30%。

虚拟试验能够减少研制过程的盲目性和不确定因素，增强决策的合理性和科学性。通过构建虚拟试验平台，不仅可以部分取代实物试验，对复杂产品或系统的设计方案进行分析和评估，以减少研制过程的盲目性和不确定，增强了决策的合理性和科学性，而且可以实现产品虚拟样机和实物样机在同一个网络化平台上得到验证、修改及优化。

虚拟试验是计算机仿真技术、科学计算可视化和虚拟现实技术有机结合的产物，是解决仿真、试验、计算结果可视化问题的有效手段。虚拟试验是在长期积累的大量数据、虚拟样机模型、动力学模型以及各种环境等三维模型的基础上，利用高性能计算机、网络环境、虚拟仿真系统和各种虚拟现实设备，建立能方便进行人机交互操作的环境。在此环境中对虚拟样机进行试验，用可视化的方法观察被测物体的性能及其间的相互关系，并对试验结果进行分析与研究。虚拟试验体系能够把设计验证的模式从传统实物验证转变为“试验建模→仿真与虚拟试验→改进模型→实物验证”的虚实结合模式。

2.体系建设思路

虚拟试验验证技术正朝着规范化、集成化、体系化的方向发展。企业的当务之急是构建虚拟试验支撑软件平台框架，制定出适合高端复杂产品研制试验需求、自顶向下的虚拟试验验证标准规范体系，进而推动产品研制技术的变革。可以考虑从以下几个方面入手进行虚拟试验体系的建设：

1）构建虚拟试验软件支撑平台，搭建虚拟试验环境。

2）通过构建试验模型库及虚拟试验样机管理机制，解决试验模型的统一管理、改进等问题。

3）虚拟试验过程和任务能被统一管理和调度。工程师能够通过交互界面完成虚拟试验的数据监视与执行控制。

4）通过构建试验评估机制，实现虚拟试验结果的分析、评估与参数修正。主要对虚拟试验过程中收集到的数据进行分析，确定试验结果的合理性，分析试验参数的灵敏度。为产品设计和实物试验提供支撑。

5）进行虚拟试验数据的全生命周期管理，获取外部实物试验数据，并进行虚实对比分析。

6）针对高端复杂产品，研究建立完整的虚拟试验验证标准规范体系。

3.体系建设方案

根据建设思路，搭建虚拟试验的信息化支撑系统，同时应建设虚拟试验验证标准规范体系、虚拟试验模型库、高性能计算及基础IT平台、基础仿真工具体系以及信息化平台与外部试验的接口。体系整体框架如图所示。