1.  背景與挑戰(zhàn)

在歷史文化和飲食文化同樣悠久的長安城有這么一個航空工業(yè)的研究所，他們的主要工作就是對飛機“搞破壞”，從運20、C919到“鯤龍”AG600，每一架新型號試驗機都需在他們手里通過“百般蹂躪”之后才能取得通行證、允許投入飛行，這就是中航工業(yè)中國飛機強度研究所，中國飛機強度研究所是我國航空工業(yè)唯一的飛機強度研究中心與地面強度試驗驗證基地。具有代表國家對新研制飛機強度進(jìn)行驗證試驗并給出驗證結(jié)論的職能。

作為“圈外人”，大家可能對飛機強度試驗不了解，在這里要注意“感謝CCTV”，在2018年系列報道《國家記憶》《大國鯤鵬》中第四集 “首次試飛”中較為完整的闡述了“胖妞兒”的飛機強度試驗過程，從中我們可以發(fā)現(xiàn)全機靜力試驗一體化框架與加載系統(tǒng)是飛機地面靜載強度試驗的關(guān)鍵系統(tǒng)，是試驗?zāi)芊癜磿r、安全、有效完成的重要環(huán)節(jié)，也是技術(shù)難度和技術(shù)風(fēng)險最高的環(huán)節(jié)。以“運20”為例，首飛前整機地面綜合試驗要進(jìn)行十三大項試驗，持續(xù)將近200天。

圖1 全機靜力試驗一體化框架系統(tǒng)

        飛機的全機地面靜力試驗的難度高在一體化框架系統(tǒng)的建設(shè)，風(fēng)險大在整個靜力加載過程的不可預(yù)知性，試驗過程還具有較大的安全風(fēng)險，整個過程不僅需要耗費巨大的財力物力和時間，稍有不慎還會在實驗中出現(xiàn)非預(yù)期的結(jié)構(gòu)損傷和破壞，一直以來這些問題是影響強度所試驗順利進(jìn)行的較大因素，尤其在近年來隨著國防投入持續(xù)增加，各種新型號的飛機不斷，如果說海軍的軍艦入列如下餃子一般，那飛機型號就好比放風(fēng)箏似的，在時間緊、型號多、任務(wù)重的局面下，如何在保證試驗效果的前提下提高試驗效率、縮短試驗時間、加強試驗過程的安全性，以及如何利用積累在手中的大量寶貴試驗數(shù)據(jù)是強度所一直在考慮突破的問題。

圖2 復(fù)雜的精力加載系統(tǒng)

2.  解決方案

航空工業(yè)強度所銳意進(jìn)取，積極開展虛擬現(xiàn)實技術(shù)在強度試驗應(yīng)用中的探索，提出“虛實結(jié)合，創(chuàng)新高效打造地面強度試驗新模式”的發(fā)展思路，即在做好傳統(tǒng)物理試驗驗證的同時，通過虛擬試驗的有效輔助，為飛機結(jié)構(gòu)地面強度試驗提供全面技術(shù)支撐。

在選擇虛擬現(xiàn)實軟件平臺上，強度所非常重視軟件的國產(chǎn)自主知識產(chǎn)權(quán)和靈活開放的二次開發(fā)能力，北京朗迪鋒科技有限公司自主開發(fā)的虛擬現(xiàn)實仿真平臺軟件依靠完善的虛擬現(xiàn)實仿真功能和可定制化的開發(fā)服務(wù)從多種選擇中脫穎而出，成為強度所虛擬現(xiàn)實裝配及試驗可視化平臺的軟件基礎(chǔ)。

虛擬現(xiàn)實裝配及試驗可視化平臺主要是以虛擬試驗?zāi)Ｐ蜑榛A(chǔ)，開展輔助物理試驗。試驗前進(jìn)行結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析、危險部位識別和破壞預(yù)估，試驗進(jìn)行過程中進(jìn)行試驗實時監(jiān)控、試驗與分析相關(guān)性評估，試驗結(jié)束后數(shù)據(jù)的管理和復(fù)現(xiàn)?？梢杂行Ы档驮囼烇L(fēng)險、縮短試驗周期、減少試驗成本，達(dá)到優(yōu)質(zhì)高效完成試驗任務(wù)的目的。

1.  通過的輕量化在線導(dǎo)入和參數(shù)化本地導(dǎo)入兩種數(shù)據(jù)進(jìn)入模式，將虛擬試驗場景中的加載、支持、測量系統(tǒng)和飛機的三維模型輕量化處理進(jìn)入虛擬現(xiàn)實平臺軟件。

2.  通過軟件中多學(xué)科工程數(shù)據(jù)后處理可視化能力，將用戶在用的多款仿真分析結(jié)果數(shù)據(jù)、試驗測試數(shù)據(jù)導(dǎo)入并進(jìn)行可視化處理與場景、數(shù)字樣機實現(xiàn)融合展示。

3.  在場景模型和數(shù)字樣機模型進(jìn)入虛擬現(xiàn)實軟件后進(jìn)行素材整合、交互功能定義、工作流程及邏輯定義等工作，最終完成試驗環(huán)境、試驗方案的虛擬現(xiàn)實可視化。4.  試驗過程中，虛擬現(xiàn)實裝配及試驗可視化平臺可實時讀取試驗數(shù)據(jù)并結(jié)合可交互式虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng)以直觀、易懂、逼真、沉浸的展現(xiàn)方式呈現(xiàn)。5.  試驗完成后，經(jīng)過虛擬現(xiàn)實裝配及試驗可視化平臺處理的內(nèi)容還可以發(fā)布到多通道立體顯示系統(tǒng)，實現(xiàn)立體、交互、沉浸式展示，以便于多部門、多人協(xié)同評審。

圖3 MakeReal3D MultiViz

3.  媒體報道

近日航空工業(yè)強度所副總師聶小華接受科技日報專訪中談到，中國飛機強度研究所已經(jīng)在ARJ21-700、C919、AG600等飛機全機靜力實驗中開始采用虛擬實驗技術(shù)在實驗前對實驗體進(jìn)行充分分析和預(yù)判，在實驗過程中進(jìn)行實驗與分析的一致性評估，虛擬實驗手段的應(yīng)用在飛機研制過程中形成了虛實互動融合、雙線并行的實驗新模式。聶小華副總師講到“虛擬實驗技術(shù)是一項集大數(shù)據(jù)、計算力學(xué)與強度理論、實驗數(shù)字化、虛擬現(xiàn)實等于一體的綜合技術(shù)，利用現(xiàn)代數(shù)字建模、虛擬仿真、增強現(xiàn)實及數(shù)據(jù)挖掘等計算機數(shù)字化手段，在數(shù)字空間完成強度研究、設(shè)計、驗證，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行飛機結(jié)構(gòu)強度的評估與驗證?！甭櫺∪A表示，虛擬實驗可以指導(dǎo)和輔助物理實驗，提高物理實驗的成功率，同時還可以優(yōu)化和減少物理實驗工況，逐步替代部分物理實驗，達(dá)到降低實驗風(fēng)險、縮短實驗周期、節(jié)省實驗成本的目的。（科技日報實習(xí)記者 于紫月）

4.  延伸

虛擬試驗是近幾年從事計算機輔助設(shè)計仿真的科研院所經(jīng)常提到的一種應(yīng)用場景，為了滿足虛擬試驗所需，北京朗迪鋒科技有限公司開的軟件推出的多學(xué)科工程后處理可視化，在此基礎(chǔ)上用戶方的多種數(shù)據(jù)，包括模型、各種仿真數(shù)據(jù)結(jié)果、試驗數(shù)據(jù)結(jié)果等都可以進(jìn)入到軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和后處理可視化，形成結(jié)合了多種類、多學(xué)科數(shù)據(jù)的綜合數(shù)字樣機，在此技術(shù)上進(jìn)行虛擬試驗的方案驗證、過程模擬和數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實硬件條件，可支持多人、跨部門、異地、移動等全終端的交互形式。

當(dāng)然，任何先進(jìn)的科學(xué)理念和試驗手段不可能一蹴而就，目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助試驗還存在不小的難點，如對實驗環(huán)境的數(shù)字化描述和結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的精確模擬等問題還需要逐步解決，為了進(jìn)一步發(fā)揮虛擬試驗在飛機結(jié)構(gòu)地面強度試驗中的重要作用，強度所還計劃進(jìn)一步開展基礎(chǔ)技術(shù)研究，提高虛擬試驗成熟度。通過研究和應(yīng)用，達(dá)到基礎(chǔ)部件的虛擬試驗?zāi)芰?，實現(xiàn)部件級的平臺驗證；研究高效可靠的虛擬試驗建模分析方法，實現(xiàn)虛擬試驗精度可控；建立完善的基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的體系化、規(guī)范化、完備化；進(jìn)一步擴展虛擬試驗功能；

在中國飛機強度研究所以及眾多國防科研單位的鞭策和支持下，北京朗迪鋒科技有限公司將堅持以自主研發(fā)為核心，努力創(chuàng)新、持續(xù)研發(fā)，為中國國防工業(yè)貢獻(xiàn)一個國產(chǎn)軟件企業(yè)微薄之力！

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