VV&A与M&S的关系如图1所示。图中的“原型系统” 表示要进行建模与仿真的实际系统或假想系统，“概念模型” 与“仿真实现”表示 M&S 在开发周期中的不同阶段所呈现的不同表现形态，虚线部分表示 M&S 开发生命周期的主要阶段：“分析与建模”、“设计实现”和“仿真试验”。在分析与建模阶段，通过对原型系统进行数学、逻辑上的抽象和描述， 得到该系统的概念模型。然后通过软硬件设计实现，得到仿真系统。最后通过仿真试验，验证仿真结果。这就是 M&S 的开发生命周期。

VV&A 的核心就是通过规范 M&S 的开发 过程来保证仿真的可信度，属于过程管理的范畴。VV&A 代表了可信度研究的三个方面，确认是确定仿真系统准确地代表了开发者的概念描述和设计的过程；验证是从仿真系统应用目的出发，确定仿真系统代表真实世界的正确程度的过程；验收是权威机构对 M&S 相对于预期应用来说是否可接受的认可。

目前，国内外对 VV&A 的研究主要集中在建议规范的制订、技术理论体系的完善以及方**等方面，而VV&A 在每个仿真领域工程化仿真课题中具体应用的相关研究报道较少见到。本文旨在研究 VV&A 技术在内燃机结构仿真中的具体应用。

有限元方法是目前国内外内燃机零部件结构仿真所使用的主要手段。内燃机零部件结构仿真有限元分析课题主要集中在应力位移场分析、温度场分析及振动噪声分析等几个方面。国内众多科研院所包括吉林大学、上海交通大学、北京理工大学、中国北方发动机研究所、同济大学、中北大学等广泛开展了内燃机零部件的有限元分析，发表了大量的研究报告和论文。

内燃机结构仿真经历了一个由简单到复杂、由浅入深的逐渐演变过程。目前为止，人们几乎已经完成了所有零部件的有限元分析，分析的零件小到橡胶密封圈，大到整个机体、缸盖，几乎涵盖了所有需要分析的零部件直至组合体。随着仿真技术的发展以及对内燃机设计水平要求的日益提高，提高仿真可信度、仿真规范化是内燃机结构仿真发展的必然趋势之一。V&V 是规范仿真开发过程、保证仿真可信度的重要手段，是内燃机结构仿真规范中不可或缺的重要组成部分。开展内燃机零部件结构仿真模型有效性确认与验证是势在必行的。事实上，对于具体的内燃机零部件结构仿真模型进行可信度评估是非常困难的，目前并未见到相关研究成果报道。V&V 则是在仿真模型开发过程中最大限度地减少可能导致可信度降低的因素，通过对过程的监控来保 证仿真结果的可信度。 

综上所述，VV&A 与 M&S 的关系、VV&A 的精髓以及内燃机结构仿真的发展趋势决定了开展内燃机零部件结构仿真模型 VV&A 的必要性。 

1 综述 

1.1 模型开发目的 

1.2 模型功能 

1.3 模型性质 

2 假设及适用范围 

2.1 理论依据 

2.2 主要简化计算及依据 

2.3 对预期使用目的的适用性 

2.4 模型重用性的潜力 

3 模型描述 

3.1 模型描述（必要时附图） 

3.1.1 求解类型与选项设置描述 

3.1.2 有限元几何模型描述 

3.1.3 网格划分方式描述 

3.1.4 力/位移边界条件描述 

3.1.5 其它模型描述 

3.2 主要考察输出变量

 4 质量保证 

4.1 模型开发的历史及其在其它项目中的应用情况与效果 

4.2 模型开发中参考其它模型的情况 

4.3 假设条件和简化对模型的影响分析 

4.4 单元类型的选择与网格划分方式的依据

4.5 边界条件及其假设处理对仿真结果的影响分析 

4.6 仿真结果与试验结果对比 

4.7 对模型精度的认识 

4.8 知名专家对模型的评价 

4.9 后处理与后验误差估计 

4.2 模型验证方法 

模型验证方法可采用手工法与验证报告法。手工法是指模型验证人员逐一检验、核实有限元模型所 有参量的方法。该方法工作量大，耗时长。建模人员一般情况下不能充当模型验证人员，一般情况下，建模人员需协助验模人员共同完成验模工作。通过填写模型验证卡片的方法可以使验证过程明确化、程序化。模型验证卡片模板见表 1。

验证报告法由有限元软件按照一定的验证报告规范自动生成模型验证报告。该方法快捷、方便，建模人员可自行验证。需要在现有有限元软件的基础上进行二次开发。 

以应用商品化软件ANSYS对某曲轴结构强度仿真为例 进行模型有效性确认与验证。 

5.1 仿真模型确认文本 

1 综述 

1.1 模型开发目的对某曲轴进行结构强度仿真计算，初步校核该曲轴静力结构强度可靠性。

1.2 模型功能通过计算危险点应力值，可以校核曲轴静力结构强度；并且，利用该模型可以计算危险工况下曲轴的变形，进行刚度校核。

1.3 模型性质 该有限元模型属于线性、静力学计算有限元模型。

2 假设及适用范围

2.1 理论依据弹性力学基本方程，有限元法基本理论，古典第四强度理论等。

2.2 主要简化计算及依据动力学问题简化为静力学计算。

2.3 对预期使用目的的适用性由上述理论依据和主要的简化假设可以判断，该模型对预期使用目的是适用的。

2.4 模型它用性、重用性的潜力在对该模型进行较小改动的情况下，可以用于其它仿真计算目的。例如，改变力边界条件可以计算其它虚拟爆发压力下曲轴的应力应变状态；可以修改该模型进行曲轴模态分析、动态响应分析等。

3 模型描述 

3.1 模型描述 

3.1.1 求解类型与选项设置描述属于静力学有限元计算类型，并无其它特殊求解选项设置。

3.1.2 有限元几何模型描述首先应用三维 CAD 软件建立完整的曲轴产品设计表达 模型，然后在此基础上简化非计算曲拐上的圆角、油孔。将该模型导入有限元软件 ANSYS 中。

3.1.3 网格划分方式描述采用单一四面体 10 节点单元进行网格划分，整体单元尺寸控制在 10mm，在主轴颈圆角、连杆轴颈圆角处进行网格细化。

3.1.4 力/位移边界条件详细描述力边界条件包括连杆大头作用在连杆轴径上的力，曲轴旋转惯性力以及扭矩。位移边界条件包括约束具有轴承支撑 的主轴颈表面节点的径向位移；约束曲轴止推端端面轴向位移；约束曲轴刚体旋转位移。

3.1.5 模型其它描述无。

3.2 主要考察输出变量根据模型开发目的可知，该模型主要考察危险点即轴颈 圆角处等效应力。

4 质量保证 

4.1 模型开发的历史及其在其它项目中的应用情况与效果从模型开发历史上来说，这是最新开发的有限元模型， 并没有在其它项目中有所应用。

4.2 模型开发中参考其它模型的情况在该模型开发过程中，从各个方面广泛参考了其它型号内燃机曲轴结构强度计算有限元模型。 

4.3 假设条件和简化对模型的影响分析建模过程中简化了非计算曲拐的圆角和油孔。根据圣维南原理，从工程意义上讲，简化合理。

4.4 单元类型的选择与网格划分方式的依据 采用四面体 10 节点单元进行网格划分，整体单元尺寸控制在 10mm；在圆角处进行细化。

4.5 边界条件及其假设处理对仿真结果的影响分析 

1) 位移边界条件 对主轴颈的位移约束一般有如下三种处理方式，按完全 刚性约束方式处理、考虑油膜刚度采用间隙单元模拟以及考 虑机体的刚度影响按接触方式模拟。

2) 力边界条件 作用在轴颈上的载荷沿轴线方向呈抛物线分布，沿圆周 方向呈 120°（受压）或 180°（受拉）余弦分布。

4.6 仿真结果与试验结果对比没有开展与该仿真课题相对应的试验。

4.7 对模型精度的认识可以认为该建模过程中的简化假设都是合理的，网格划 分与边界条件处理得当，模型清晰，具有满足工程需要的精度。

4.8 知名专家对模型的评价 该有限元模型完全符合仿真可信度要求，能够实现预期 仿真目的（专家评审表略）。

5.2 模型验证 

采用手工法对仿真模型进行了验证。排除了有限元模型 与实际不符的情况。

5.3 小结 

通过对该曲轴结构仿真模型的有效性确认与验证排除了影响仿真可信度的因素，提高了用户的对仿真可信度的信心，降低了 M&S 的风险，同时为后续类似结构仿真课题提供了建模参考。证明了在内燃机零部件结构仿真领域开展模型确认与验证的可行性、必要性、重要性。