电子装备结构性能虚拟试验技术研究

杨文芳,陈竹梅,张敬莹

(中国电子科学研究院，北京 100041)

0 引 言

当前，以信息化为特征的新军事变革正在全球兴起。随着新军事变革的不断深入，武器装备技术的日趋先进,武器装备呈现出信息化、智能化、一体化的发展趋势[1]。并且，随着国际环境的复杂性加剧及竞争越来越激烈，军方对武器装备的性能、任务效能、可靠性、维修性等方面提出了更高的要求。武器装备的复杂性和先进性的大幅度提高，使得武器装备试验的要求和难度也随之增加，在一定程度上造成试验费用的增加和试验时间的延长，甚至由于实物试验的条件限制，有些试验项目将无法开展。虚拟试验技术已广泛用于国外武器装备的采办过程中，从系统方案论证到使用训练的各个阶段，在降低技术风险、缩短研制周期、降低费用等方面取得很好的效果，已成为与实物试验并举的一种新的试验形式。我国近年来，也开始加大对虚拟试验技术的重视和投入，很多企业或高校都正在积极进行虚拟试验方面的技术探索，并且已经取得了初步成果和效益。完颜振海[2]等人开展了运载火箭飞行力学环境虚拟试验及可视化系统设计与实现技术研究。陈娟[3]等人提出搭建基于多软件协同仿真的六自由度平台虚拟试验系统。彭健等人[4]结合我国航天产品的研制过程对虚拟试验验证技术的需求，提出了一套完整的虚拟试验验证体系框架VITA。但总体来说，虚拟试验目前在我国仍处于刚刚起步阶段，还不太成熟，并且在每个行业的应用也有行业自身的特点。

复杂电子装备通常由众多含有精密电子部件的电子设备(雷达、二次雷达、通信、侦察、综合识别、任务管控与显示系统等)通过一定的连接关系组成，以满足特种作战任务需求，不仅体系复杂、功能要素多，而且产品形态多样化，组成结构庞大。机载电子装备为适应不同应用模式的研制任务需求，往往需要安装在特定的平台上，如运输机、直升机、舰载机等，以形成不同的装备。电子装备处于复杂物理环境中，各种平台环境条件都非常恶劣。电子装备的研制一般经历需求论证、系统设计研发、系统集成、试飞试验、使用保障等几个重要阶段。整个研发过程中，在横向(不同专业/不同研制单位之间)和纵向(研发过程)都存在着较复杂的耦合关系，需要较强的总体设计和过程监控能力。随着后续机载电子装备小型化、高度集成化和一体化的发展趋势，对装备的总体研制水平提出了更高的要求，传统研发模式将可能被基于模型的系统工程[5-7](MBSE)研发模式取代，通过应用模型来支持系统的需求定义、设计、分析、校核和验证，从概念设计阶段开始一直贯穿整个研制过程。机载电子装备是一类复杂装备，技术高度密集，产品特性极为复杂，且有其自身的特殊性，将虚拟试验技术引入到机载电子装备的研制过程中，用于装备研制、试验与效能评估，可有效缩短研发周期，降低研制费用，提高作战效能。

本文结合机载电子装备系统技术特点，提出了虚拟试验技术在机载电子装备系统级应用设想和技术体系框架。并以机载电子装备力学虚拟试验技术为突破口，以某模块化机箱为例研究电子装备力学虚拟试验及模型验证技术。

1 电子装备虚拟试验技术框架体系与应用

根据机载电子装备特点，虚拟试验技术可以贯穿从概念设计阶段开始的整个研发过程。借助虚拟试验验证平台，在电子装备不同研制阶段，根据不同阶段以及系统/设备/模块不同级别虚拟验证需求，建立不同级别、不同粒度模型或多级多粒度模型以进行装备虚拟验证。在装备全寿命周期研发过程中，将虚拟试验与常规仿真和实物试验结合起来，在前期进行虚拟试验(或仿真)，在后期进行试验验证，从而实现指标、虚拟试验(或仿真)和验证的闭环。

基于电子装备系统研制考虑，虚拟试验技术体系包括虚拟试验建模、虚拟试验运行控制、虚拟试验管理、虚拟试验平台技术和虚拟试验标准规范五大部分，包括虚拟样机建模、虚拟试验平台架构设计、虚拟试验建模规范等十余项技术要点。虚拟试验技术体系如图1所示。

图1 虚拟试验技术体系

针对电子装备研制中的各种实物试验过程均可以建立相应的虚拟试验系统。例如，整件、部件级产品的虚拟振动试验、虚拟冲击试验、虚拟疲劳试验等结构性能试验，系统级的试飞试验等，参见图2。就电子装备的结构性能方面，还涉及到机械环境、温度、电磁环境等多种环境对电子装备的耦合作用，多种耦合环境虚拟验证技术，也将是今后提高集成度更高的电子装备研发能力的关键。

图2 电子装备系统虚拟试验的应用领域

2 某电子装备系统力学虚拟试验技术

2.1 某电子装备系统结构特点

某电子装备安装在某型载机上，设备主要安装在综合模块化机架中。其中，3个机架并排布局，舱内布局示意图参如图3所示。

图3 电子装备内设备布局

综合机架采用碳纤维材料，单个机架内安装3个24in模块化机箱。模块化机箱结构示意如图4所示，机箱内安装16个1in宽8U高的VITA模块。

图4 模块化机箱结构示意图

该电子装备需要开展的力学试验项目主要包括：设备级和系统级试验。前者主要开展包括振动、冲击、加速度等试验室试验，后者由于试验室条件的限制，主要是结合试飞等项目开展。

2.2 某电子装备系统力学虚拟试验流程

电子装备设计和分析时，我们既关注系统整体的动力学特性以及与载机平台的相互影响，同时又需要考虑局部的刚强度是否足够，是否会发生局部破坏，或者局部响应过大，易造成关键器件的破坏。

针对电子装备系统仿真分析，常规有限元分析将面临网格数量过多引起的求解周期过长、灵活度不高、前处理工作量大等问题，可以通过虚拟试验平台的混合建模、子结构法来解决。对于机架、机箱等主要承载结构，为了获得更加准确的分析模型，需要对其进行相应的模型修正；对于不易建模且不关心其响应的外围结构，可以采用试验模型作为子结构。

针对电子装备其力学虚拟试验流程如图5所示，首先需要根据实物试验或实际装备实际所处的力学环境(振动、冲击、加速度等)确定虚拟试验项目和方案。然后，分别开展虚拟试验平台、被试件的建模工作，并进行模型验证，将验证后的被试件模型与虚拟试验平台模型进行集成，最后开展虚拟试验并评估结果，并开展必要的实物试验。

以虚拟振动试验为例，要开展虚拟振动试验的关键是搭建虚拟振动试验系统。虚拟振动系统的构建过程与实际振动系统的组成结构一致，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，将各部分模型进行修正，将修正后的各部分模型进行集成，基于修正后的虚拟振动系统开展试验得到响应情况。

图5 电子装备动态虚拟试验流程

2.3 被试件模型的建立和修正

被试件模型的建模可以在ANSYS通用仿真软件或LMS虚拟试验软件里建立。建好的模型，需要进行模型修正，模型修正一般是将建立的试件模型模态仿真分析结果与实物模态试验或已校验的模型进行对比校验。

以机架为例，其模型修正过程如图6所示。机架属于装配体，由多个零部件构成。对于装配体有限元模型的修正，要遵循两步走的策略，首先对关键零件进行参数修正，优化有限元模型参数，校正其振型和模态频率。完成零件级模型修正后，对于部件，修正的参数将仅是针对于各个零件之间的联接参数，即联接刚度。

图6 机架FE模型修正示意图

2.4 基于子结构法的系统动态特性分析

电子装备属于复杂装配体，包含了大量的零部件，且不同部件可能由不同单位研制。对于这种复杂的装配体，采用子结构法是一种比较可行的方法。基于子结构法的结构响应分析采用了混合建模技术，借助虚拟试验系统将试验与仿真模型通过子结构法结合起来。子结构法分为基于传函的子结构和基于模态的子结构，子结构可以是试验模型也可以是有限元模型。借助虚拟试验系统，对子结构间的相互作用进行细致分析，例如相互连接部件之间的耦合情况分析、部件联接点处的传力分析等等。以机载设备为例，其子结构法的分析流程如图7所示。

图7 子结构法的分析流程

2.5 某模块化机箱模型修正案例

借助西门子LMS Virtual.lab虚拟试验软件系统，进行被试件模型修正，其典型修正过程如下：

(a)借助结构分析软件进行模态分析，并提取模态分析结果；

(b)将机箱模态分析结果导入到虚拟试验软件中，根据模态分析结果生成试验线框；

(c)开展模态试验，生成模态试验数据；

(d)利用虚拟试验软件系统分析模块，导入有限元分析模态分析结果和模态测试结果，进行模态相关性和模态置信度分析，并根据结果进行模型优化；

模态相关性分析，相关性分析流程如图8所示。

图8 模态相关性分析流程

(e)进行机箱随机振动和冲击虚拟试验分析，并开展样机实物试验，并根据实物试验结果，评价虚拟试验结果。

以图4所示的模块化机箱为模型，进行模型修正案例分析。利用ANSYS Workbench软件建立机箱有限元模型(如图9所示)，进行模态分析，并扩展前50阶模态。

图9 模块化机箱有限元模型

利用LMS Virtual.lab虚拟试验软件，导入ANSYS Workbench机箱模态分析结果文件(.RST)，通过预试验的方式生成试验线框，线框模型如图10所示。

图10 机箱线框模型

将试验线框导出，按线框节点位置在机箱上布置传感器，对机箱开展模态试验，提取线框模态试验结果。本案例中，没有开展模态试验，是将仿真分析模态结果映射到线框上，代替模态试验数据。

进入LMS Virtual.lab相关性分析模块，导入分析模型和测试模型，将分析模型和测试模型进行几何关联。将测试模型作为参考模型，分析模型作为修正模型。将参考模型和修正模型的节点关联对应。生成缩减验证模型，线框上的节点与缩减的有限元模型节点一一对应，如图11所示。

图11 缩减验证模型

插入模态置信度分析，查看缩减的参考和验证模型相关性分析的MAC矩阵。从图中看出有些不同阶次模态互相关，如图12所示。

图12 参考和验证模型相关性分析的MAC矩阵

缩减的参考模型45阶固有频率673.1 Hz，缩减的验证模型50阶固有频率675.2 Hz，两者之间模态相关性MAC为0.987，高度相关。模态振型表现为前面板和安装耳板局部振动，如图13所示。

图13 显示模态对比

进入系统分析模块，分别在验证模型和参考模型中，求解其传递函数。进入相关分析模块，分别选取验证模型和参考模型生成的传递函数，进行相关性分析，两个对比的传函如图14所示。

图14 两个传递函数的对比

基于模态或传函相关性分析结果，可以从不同侧面描述和分析两个模型的差异。完成相关性分析之后，可以进行灵敏度分析并修正有限元模型，从而使有限元模型和参考模型的匹配更好。

修正过的模型将能够用于后续虚拟振动、冲击、加速度试验等。

3 讨 论

鉴于机载电子装备特性和研发特点，并考虑虚拟试验技术内涵，虚拟试验技术可应用于研发过程中任何的验证环节。但考虑到虚拟试验技术的成熟性，以及虚实结合的特点，一些实物试验必不可少。从电子装备力学虚拟试验技术应用探讨和研究中，可以看出：

(1)借助虚拟试验技术，模拟实物试验，建立虚实结合的试验环境，可以提升电子装备仿真技术水平。随着虚拟试验技术的成熟度提升，未来可替换部分实物试验，从而缩短研制周期，节省研制经费，为未来实现数字样机研发和数字孪生技术奠定基础；

(2)借助虚拟试验技术，可以开展一些不具备实物试验条件的系统级试验和多场耦合试验等，可得到电子装备系统级整体结构性能特征；

(3)借助虚拟试验技术，可支撑物理模型与顶层需求联合开展跨维度虚拟试验，以验证顶层功能性能指标和物理域之间的影响关系，将可支撑未来实现MBSE的研发模式。

4 结 语

本文研究分析了虚拟试验技术的国内外发展趋势和应用现状、并结合下一代机载电子装备系统技术发展趋势及其特点，提出了虚拟试验技术在电子装备领域应用的技术设想，虚拟试验技术在未来电子装备系统研制中可以起到非常重要的作用。以某电子装备机箱为用例，开展了其力学特性虚拟试验技术基础模型修正案例分析，为虚拟试验技术在电子装备系统进一步应用研究提供了技术途径。本文仅是虚拟试验技术在电子装备系统研制中结构性能方面的初步尝试，并没有经过虚拟和实物试验结合的反复验证，后续将继续开展虚拟试验技术在电子装备领域中的深入研究，并发挥其重要作用。