建议书虚拟振动台LMS建议书Word文件下载.docx

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振动环境试验是航空航天、武器装备、精密仪器等行业在产品研发过程中的最重要的环节之一，对于验证产品尤其是其中的振动敏感设备和精密仪器在振动环境中的抗振性、可靠性与适应性有着至关重要的作用。

在当前航空航天和国防装备等领域，产品的振动环境试验一般通过振动试验台来完成。

通过振动台模拟产品在工作状态中的外部振动激励，评价产品在各种典型工况或极限工况中的抗振能力，以结构抗振能力和可靠性为目标，根据试验结果评价、验证和改进设计方案。

通过振动台进行振动环境试验和设计改进的优点是方法直接、一般情况下正确可靠，可以对物理样机或实际产品进行直接的试验测试，直观地观察和评价实物在不同振动激励下的响应和表现，基于试验结果提出设计改进。

由于产品均基于振动试验台进行振动环境测试，振动试验的精确性和试验结果在很大程度上决定于振动试验台的性能。

因此，振动试验台本身的设计和建设至关重要，对振动试验台的设计要求是精确、可靠，实施和建设费用低、周期短，以满足航空产品需要进行越来越多的振动试验的要求。

当前，振动试验台的设计和建设主要通过传统的技术方法和流程实现，基于振动台的设计目标，进行目标和功能分解后，对各子系统或部件进行选型和采购。

传统流程对振动台本身缺乏有效的评价，如强度、模态、闭环控制与激励的精确性，台面与试件的结构耦合特性，等等。

传统设计方法的局限其一在于难以优化振动台性能和设计方案，其二振动台开发成本高，建设周期长，在设计后期容易出现较多的设计反复，甚至出现颠覆性的问题。

此外，随着航空待测型号和产品越来越多，对振动环境试验的要求也越来越高，必须不断提高试验的效率和有效性，同时降低试验风险。

当前基于振动台的振动环境试验存在以下局限：

▪振动试验准备周期较长，需要有实物样机或产品才能进行，而且物理样机或产品的成本较高；

▪由于试件安装在试验台上和安装在实际产品上的耦合关系和边界条件不同，因此试验台难以完全模拟真实的振动激励，容易引起过试验或欠试验问题，存在一定的试验风险；

▪在试验台上难以模拟所有的工况；

▪振动试验受到传感器数量和安装位置的限制，能够获取的试验结果信息有限，无法完全观测到结构响应和破坏；

并且对一些导出量如结构内部的应力应变等较难直接测量；

▪仅仅基于振动试验进行设计验证和改进有较大的局限性，只能通过试错方式进行设计改进，而且难以做到优化。

综上所述，当前振动试验台的设计、验证和建设，以及振动试验本身都存在较大的技术局限，既影响振动试验台的设计效果，又影响振动试验的效率，需要寻求新的能够同时满足振动台设计开发和改进振动试验的技术途径，从而大幅度提高振动环境试验从振动台构建到振动试验实施的效率，即端到端的解决方案。

1.2虚拟振动试验系统的提出与建设目标

解决当前振动试验系统设计问题、提高试验效率、改进试验质量的最有效的途径是通过虚拟仿真技术，建立振动环境试验的仿真平台，为振动试验台的设计、工程决策和振动试验提供一个完整的仿真系统。

基于此仿真系统，或称虚拟振动试验系统，可以完成从振动台设计验证与优化，到虚拟化的振动试验在内的任务。

振动试验的特点是方法直接、正确可靠，但周期长、成本高，而虚拟仿真技术的优势在于效率高、成本低、能够得到试验方法无法获得的信息，因此虚拟仿真技术是弥补试验技术缺点和局限的最有效方法。

虚拟振动试验是指通过软件环境建立的振动试验台模型和被测试件模型，在软件环境中基于振动试验台和被测试件的虚拟仿真模型，完成与实际振动试验相同或类似的振动环境试验任务。

虚拟振动试验可以在物理试验之前尽可能全面的了解并及时发现问题，将重复工作降到最低；

另一方面可以为物理试验作好充分准备，减少对物理试验的依赖，进一步加快产品研发进程。

虚拟振动试验系统的主要建设目标是：

▪完成振动台设计方案的验证与优化。

振动台系统包括控制器、电磁激励作动器、执行环节、台面等，基于虚拟试验系统，能够建立完整的振动台系统模型，进行方案选型和设计验证；

或对其中的子系统进行单独详细验证；

▪虚拟振动试验。

基于此虚拟振动试验系统，可以建立振动试验台模型和试件模型，并将试件模型与振动台模型进行装配，完成各种工况的振动试验。

▪基于虚拟振动试验的方案改进和优化。

基于虚拟振动试验结果，对试件设计方案提出改进或优化方案。

国内外先进航空航天企业已经在虚拟振动试验方面开展了较多的的研究和应用，并取得了极高的效益和成果。

在虚拟振动试验方面比较先进和有代表性的航空航天企业国外包括NASA、Lockheed、ESA欧洲航天局、ESTEC欧洲航天技术中心，国内包括511所、航天6院11所、三院三部、702所、西安交大航天航空学院等。

1.3虚拟振动试验系统的意义与价值

建立虚拟振动试验系统可以有效改进现有技术流程，一方面可以加快振动试验台本身的设计过程，提高试验台性能，节省振动台建设成本，从而从基础设施上保证振动试验的质量；

另一方面可以显著提高振动环境试验的工作效率、克服实物试验不可跨越的局限、提高振动试验的试前预示能力、试后分析能力并降低试验风险，甚至代替部分实物试验，节省试验成本。

综合而言，虚拟振动试验系统的建设对于振动台本身的设计和振动试验两方面均具有重要意义：

▪振动试验台设计方案验证与优化的仿真环境。

⇨根据振动试验台设计方案，建立振动台各子系统的仿真模型，包括控制器、电磁作动器、静压轴承、台面等，通过结构强度、模态分析，验证振动台的结构特性，通过闭环耦合分析验证其激励能力，并优化控制器和电磁作动器参数，为子系统选型和采购做好准备；

⇨加快振动试验台的设计流程，优化振动台性能，节省建设成本；

⇨保证振动台本身设计方案的合理性，保证“一次设计正确”，通过仿真方法尽可能在设计早期解决问题，避免在设计后期出现设计反复和颠覆性错误；

⇨在虚拟振动试验系统中建立的虚拟振动台模型，经过调校可以直接用于虚拟振动试验，与试件的模型进行装配。

▪虚拟振动试验

⇨避免过试验或欠试验问题，降低振动试验风险；

⇨更准确地考虑试件与振动台之间的结构耦合；

⇨模拟各种实物振动试验难以考虑的工况；

⇨通过虚拟振动试验可以获取更全面的测量信息，如结构内部的应力应变等，基于这些更全面的测量信息，可以更准确地分析试件特性，提出改进意见；

⇨基于虚拟试验可以根据试验结果快速找到结构的薄弱问题，并得到改进方案，直至进行产品结构优化；

⇨提高振动试验的试前预示能力、试后分析能力；

⇨减少实物试验次数，替代部分甚至全部实物试验，加快试验进程，提高试验效率，节省试验成本。

2虚拟振动试验系统项目技术方案

2.1平台功能与建设思路

如前所述，虚拟振动试验系统的主要功能包括两大方面，其一是振动试验台本身的设计和仿真验证，其二是建立振动台和试件的仿真模型，进行虚拟振动试验。

根据虚拟振动试验系统的主要功能和其结构组成，构建虚拟振动试验系统需要实现以下几个方面：

▪振动台仿真模型的建立与验证

建立振动台仿真模型的目的一是验证和优化振动试验台的设计方案，二是作为虚拟振动试验的基础，振动台仿真模型将与被测试件的有限元模型进行装配，完成虚拟振动试验。

从建模方法上来看，目前国内外在虚拟振动试验中，振动台仿真模型的建立通常可以有两种方法，即线性的有限元方法和非线性的多体动力学方法（结合控制和有限元）。

⇨有限元方法是开环式仿真，整个振动试验台中各个部分均建立其有限元模型，并且通过合适的连接单元进行有限元装配。

在进行振动试验台设计时，这种方法可以用于验证试验台的结构特性，包括强度、模态、传递函数，以及与被测试件模型的耦合。

⇨多体动力学建模可以通过结合控制和电磁作动系统模型实现完整的闭环仿真，振动试验台机械部分通过多体动力学软件建立其模型，而控制器和电磁作动器部分则通过系统仿真软件建立模型。

将两部分集成起来可以实现闭环分析。

这种方法可以考虑控制器、激励、机械及其耦合，在振动试验台设计过程中，便于进行方案选型和完整系统的验证。

振动台的多体动力学模型最终要与被测试件的有限元模型进行集成，通常借助于多体动力学软件的刚柔耦合分析功能。

▪被测试件有限元模型创建

基于有限元软件建立被测试件的模型，与振动试验台的模型集成，用于虚拟振动试验。

被测试件的有限元模型接受来自振动台台面的激励，其振动响应可以在虚拟试验中直接获取和观测。

被测试件的有限元模型建模要求是真实、准确，其结构动力学特性应该与实际物理试件一致，在虚拟振动试验的实施过程中应当通过一定的技术手段保证被测试件有限元模型的准确性。

▪被测试件有限元模型与试验数据的相关性分析及模型更新

保证被测试件有限元模型准确性的有效方法是进行试验相关性分析，基于试验数据对有限元模型进行必要的修正，保证有限元模型的结构动力学特性与实际试件一致，从而保证虚拟振动试验结果的可靠性。

对被测试件的有限元模型进行模型修正是整个虚拟振动试验中不可缺少的重要环节，这一环节是虚拟振动试验结果有效性的重要保证，因此要求能够在虚拟振动试验系统的软件环境完成与振动测试的相关性分析。

▪被测试件有限元模型与振动台模型的装配

被测试件有限元模型通过试验相关性分析和模型修正后，可以与振动台模型进行装配。

⇨有限元开环方法中，被测试件的有限元模型与振动台模型通过连接单元进行装配，连接单元用于模拟振动台夹具；

⇨多体动力学的闭环非线性方法中，被测试件的有限元柔性体模型与振动台台面通过运动副或柔性连接装配。

无论哪一种方法，模型装配要能够真实反映振动台与试件之间的连接特性，包括刚度特性和阻尼特性等，从而保证台面与试件之间的耦合关系准确。

▪振动试验激励信号的获取、识别与修正

振动激励信号的正确定义在虚拟振动试验中也至关重要。

⇨有限元开环方法中，振动激励信号可以方便地直接定义，获取的途径一般包括手册查找、通过在飞试验测量的振动响应推导等。

在实际振动测试中，往往不考虑振动台面与被测试件之间的结构耦合以及夹具本身的结构特性，导致试验结果的偏差。

由于振动台面与被测试件之间的耦合特性跟被测试件装配在实际产品中的耦合特性不一致，即边界条件不一致，因此必须对激励信号进行必要的修正。

典型的修正过程可以通过系统级NVM方法。

⇨多体动力学闭环方法中，一般借助于控制器，根据所需要的振动特性，如振动台台面响应，通过闭环系统反馈调校电磁作动器的激励信号得到。

▪虚拟振动试验的运行与后处理

虚拟振动试验的运行过程实际上是有限元或多体动力学的计算过程。

在准备好振动台模型、被测试件模型，完成模型装配并定义好振动激励之后，可以通过求解器进行计算得到虚拟振动试验的结果。

虚拟振动试验后处理过程与典型的仿真后处理类似，可以在软件环境中通过后处理功能获取所需要的振动响应，如位移、速度、加速度、应力、应变等。

在典型振动试验中所关心的振动响应往往是其中几个关键位置，为方便虚拟振动试验的后处理，可以在软件环境中定制专门的后处理环境，在完成计算后可以快速获取所需要的关键位置响应量。

根据虚拟振动试验的主要功能、建设目标和构建思路，实施虚拟振动试验的理想软件环境暨软件选型要求可以归纳如下：

▪系统级平台。

从建设目标和实施思路可见，虚拟振动试验系统涉及有限元建模、系统级NVH、多体动力学、控制与电磁系统仿真、刚柔耦合分析、机电一体化分析、试验相关性分析与模型修正、多学科优化等，并且需要将这些学科结合起来，是一个典型的多学科综合仿真问题，因此虚拟振动试验的软件实施环境应该是能够涵盖这些学科的系统级平台。

多学科系统级平台的优点是一方面能够在一个平台中解决所有问题，并且能够进行多学科综合仿真；

另一方面能够避免多学科综合过程中复杂的数据传递和转换，最大限度的避免数据和精度损失。

▪仿真与试验结合，相关性分析及混合仿真。

虚拟振动试验需要保证试件的有限元模型的准确性，这可以通过试验相关性分析和模型修正技术完成。

因此需要虚拟振动试验的软件环境具备与试验结合的能力，能够进行相关性分析。

▪与301所现有CAD资源的匹配。

虚拟振动试验实施过程中需要建立振动台和试件的仿真模型，无论哪种模型都是以CAD模型为基础。

为了提高仿真的精度和效率，虚拟振动试验的软件建模环境需要能够与301所现有的CAD系统匹配，保证上下游数据链的一致，避免CAD数据的转换。

具体来说就是建模软件需要与301所现有的CAD系统CATIA做到无缝集成。

▪具备方便的定制功能。

虚拟振动试验的软件环境应当能够方便的进行定制，如开发专用的振动试验后处理环境等。

▪多目标多参数优化和工程决策。

虚拟振动试验的最终目标是根据试验结果判断设计方案的抗振性能和环境适应性，并提出改进方案直至优化，这需要平台具备较强的多目标多参数优化功能，帮助试验人员进行工程决策。

虚拟振动试验系统软件环境的构建需围绕以上主题进行，此为虚拟试验系统的实施基础。

2.2虚拟振动试验系统组成架构与支撑软件

通过多年在国内外空天国防领域企业进行虚拟振动试验系统的实施和应用，LMS公司在虚拟振动试验方面积累了丰富的经验，是虚拟振动试验领域的技术领导者。

LMS公司具备最理想的虚拟振动试验软件环境以及相应的实施能力，基于以往的实施经验和301所的具体需求，LMS公司将为301所建立完整的虚拟振动试验系统。

虚拟振动试验系统将基于LMSVirtual.Lab和AMESim平台建立，Virtual.Lab结合AMESim是最为理想的虚拟振动试验实施环境，这是因为：

▪LMS公司Virtual.Lab和AMESim相结合能够完全满足虚拟振动台实施的多学科综合仿真的要求。

Virtual.Lab是完全集成的3维多学科分析环境，包括有限元、系统级振动、多体动力学、混合仿真、相关性分析和优化在内的功能均被集成到一个环境下，实现界面、数据的统一和无缝集成；

AMESim是多领域系统仿真的标准平台，能够实现控制、电磁、电机驱动、液压、气动等在内的多领域系统综合建模；

Virtual.Lab与AMESim的集成能力则能够实现虚拟振动台的机电闭环分析。

▪LMS公司同时提供振动测试和虚拟仿真解决方案，并且虚拟仿真与振动测试能够进行完全的集成，实现仿真与试验相关性分析以及混合仿真。

将振动测试与虚拟振动台结合是振动环境试验的最佳解决方案，能够充分发挥各自的优势，在这一领域只有LMS公司能够提供完整的技术方案。

▪LMS公司软件平台与301所现有的CAD系统完全无缝集成。

Virtual.Lab的界面环境基于CATIAV5系统开发，在界面、数据格式上均与CATIAV5一致。

▪301所已采购LMS公司的振动模态测试系统，虚拟试验台采用LMS公司的方案能够保证技术的延续性，保护已有投资；

而且LMS公司的试验与仿真技术是完全集成的。

综上，LMS公司具备最合适的软件产品，最先进的振动试验技术，以及最丰富的实施经验，因此是实施虚拟振动台项目的最佳选择。

典型振动环境试验系统的主要组成包括：

▪振动台结构与激励系统

▪闭环振动控制系统

▪被测试件

虚拟振动台系统的构建过程与实际振动台的组成结构一致，即基于软件环境分别建立振动台结构、振动控制与激励系统、被测试件的模型，并将各部分进行集成。

在具体实现时有限元方法和多体动力学方法有所差别。

前文已经述及，虚拟振动台系统的构建有两种方式，一种是基于线性有限元方法的开环建模，主要是进行系统级振动分析；

另一种是基于多体动力学和机电联合仿真的闭环建模，主要是进行机电耦合分析和刚柔耦合分析。

两种方法可以结合起来，互为补充，应用在不同的场合下。

以下将分别讨论两种方法实现的系统架构。

▪线性有限元方法（系统级振动分析）

线性有限元方法的系统框架如下图所示，振动台和试件的模型都是有限元模型，其本质是复杂有限元装配模型的强迫振动响应分析。

这其中需要Virtual.LabStructure、Correlation、NVH和Optimization等模块参与，从下图可以看出各模块在线性有限元方法中所起的作用。

⇨基于Virtual.LabStructure建立振动台各部件或子结构的有限元模型；

⇨基于Virtual.LabStructure对振动台各部件模型进行装配建模，具体可根据实际连接关系，分别通过节点合并、连接单元、多点约束、接触建模等方法；

⇨对振动台模型进行静强度、模态等分析，检验其静、动态特性；

⇨基于Virtual.LabStructure建立试件的有限元模型。

对试件进行模态等分析；

⇨在Virtual.LabCorrelation中基于试件有限元分析结果和试验结果，进行仿真和试验的相关性分析，并进一步对试件有限元模型进行修正；

⇨基于Virtual.LabNVH对振动台模型和修正后的试件有限元模型进行系统级强迫振动分析，得到虚拟试验结果；

⇨基于虚拟振动试验结果，基于Virtual.LabOptimization进行设计优化。

▪多体动力学结合系统仿真方法（机电综合分析方法）

机电综合分析方法的系统框架如下图所示，此方法涉及Virtual.LabMotion、Structure、Correlation和AMESim控制、电磁等软件模块。

为了实现真实完整的闭环控制，振动台机械部分采用多体动力学方法建立模型，振动控制器和电磁作动部分均基于AMESim控制和电磁库建立，通过AMESim与Virtual.Lab的无缝集成接口，将振动控制和电磁部分与振动台实现闭环。

振动台的多体动力学模型与振动控制模型以及电磁模型集成时，一方面振动台模型将台面的加速度响应反馈给AMESim的控制器模型，与期望的加速度进行比较，经控制运算和放大后得到电压信号，此电压信号进一步传给电磁模型，从而产生相应的振动激励力。

振动激励力通过接口传递到VLMotion中的多体模型，施加在振动台上，如此构成闭环。

在机电综合方法中，试件的模型是柔性体模型，与振动台的多体模型在VLMotion环境中进行装配和耦合分析。

柔性体模型可以在VLMotionFlexibleBody环境或VLStructure环境中生成，同样可以进行试验相关性分析和模型修正，已保证结果的精确性。

机电综合方法的好处是能够建立完整的振动台闭环模型，通过集成的多学科仿真，研究振动台机械结构设计、控制律和控制器参数、电磁系统参数等，对振动台各组成子系统进行方案选型，是进行振动台设计的理想方法。

2.3虚拟振动试验主要流程和步骤

以下仍根据线性有限元方法和多体动力学方法分别阐述虚拟振动台从本身的设计验证到建立并完成虚拟振动试验的流程。

▪线性有限元方法

线性有限元方法的建模流程如下图所示。

基于线性有限元方法的虚拟振动台典型建模流程包括：

1.基于Virtual.LabStructure建立振动台的有限元模型

2.基于Virtual.LabStructure建立试件的有限元模型

3.通过Virtual.LabCorrelation/Updating进行相关性分析和模型更新

4.将修正后的有限元模型进行装配，进行强迫振动分析

▪多体动力学非线性方法（机电综合分析）

基于多体动力学的非线性方法虚拟振动台典型建模流程包括：

1.基于Virtual.LabMotion建立振动台机械部分模型

2.基于VLMotion和VLStructure或MotionFlexibleBody建立试件的柔性体模型，并与振动台机械部分多体模型集成，得到刚柔耦合模型

3.基于AMESim建立控制器和电磁系统模型

4.将AMESim模型与VLMotion的振动台和试件的刚柔耦合模型集成

5.进行闭环分析，分析在不同振动激励下试件的响应

2.4关键技术点及其实现

由虚拟振动台的系统架构和建模过程可见，综合线性有限元方法和非线性机电闭环方法，实现虚拟振动台建模和虚拟试验的关键技术点包括以下几个方面：

▪振动台和试件仿真模型的建立

▪被测试件有限元模型的试验相关性分析与模型修正

▪振动台多体动力学模型与振动控制和电磁模型的集成

▪控制器参数的选择与标定

LMSVirtual.Lab和AMESim是最理想的虚拟振动台建模环境，这是因为Virtual.Lab和AMESim能够极好地解决上述振动台建模的关键技术。

以下将简单阐明虚拟振动台几个关键技术点的实现。

前文已经述及，振动台仿真模型的建立有两种方法，即线性有限元方法和非线性多体动力学集成控制系统模型方法。

线性有限元方法主要基于Virtual.LabStructure、Correlation/Updating、NVM完成；

多体动力学方法主要基于Virtual.LabMotion、Structure和AMESim控制库以及电磁库完成，振动台机械部分和控制部分的集成通过Virtual.Lab与AMESim的接口实现。

通过试验数据对虚拟振动试验模型进行评估和分析，指出建模过程中误差产生的原因，定义系统目标和改进仿真模型。

通过专业的置信度准则、置信度的贡献量分析和频响函数置信度准则工具，进行模型验证和灵敏度分析，对置信度不高的模型进行模型校正，从而得到真实可信的虚拟环境试验模型，从而将虚拟振动台准确的载荷与边界条件输出给试验件，进行虚拟振动试验。

具体流程如下图所示：

相关性分析和模型修正主要基于Virtual.LabCorrelation/Updating实现，Virtual.Lab与LMS测试信号处理系统Test.Lab完全无缝集成，能够将Test.Lab的试验数据直接导入Virtual.Lab环境，与仿真模型进行相关性分析。

试件装配在振动台面上和装配在实际产品上，其边界条件不同，在进行振动测试时往往没有有效处理这一问题，没有考虑到试件与台面之间的耦合，导致过试验或欠试验问题。

在进行虚拟振动试验时，可以通过Virtual.Lab系统级NVM分析，基于频响函数的子结构方法，考虑试件与实际产品、试件与台面之间不同的耦合特性，对激励信号进行必要的修正。

振动台机械模型与控制模型的集成是通过Virtual.Lab与AMESim之间的无缝接口实现的，如下图所示。

Imagine.LabAMESim和Virtual.LabMotion具有无缝集成能力，两者之间可以通过联合仿真实时双向传递状态变量、模型导入和集成、求解器调用等多种方式实现闭环耦合仿真。

在实际的闭环计算过程中，一方面，作动器单元从Imagine.LabAMESim的模型中得到执行机构输出的力或扭矩，并作用于Virtual.Lab的模型上；

另一方面，传感器单元同时从Virtual.Lab的模型中得到负载的动力