基于虛擬樣機的仿真系統(tǒng)校核、驗證與確認研究 附ADAMS 2016虛擬樣機技術(shù)從入門到精通下載
1引言
計算機仿真的目的是利用仿真模型來模擬與推斷實際系統(tǒng)的真實性能。模型的正確性和精確度直接影響到仿真的置信度,如何保證建立的計算機仿真模型的正確性是仿真建模的一個重要問題。隨著建模與仿真(M＆S)的廣泛應(yīng)用,校核、驗證和確認(VV＆A)技術(shù)得以迅速發(fā)展,實踐證明,只有確保建模與仿真的正確性和置信度,其仿真結(jié)果才具有實際應(yīng)用價值和意義,而采用VV＆A技術(shù)是降低建模與仿真的風險,提高仿真可信度的有效途徑。
目前,在VV＆A領(lǐng)域針對分布交互式仿真(Distributed Interactive Simulation, DIS)的研究比較多,而對虛擬樣機仿真的校核、驗證與確認的研究卻存在誤區(qū),認為只要把虛擬樣機模型的仿真運行結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行對比,就是對樣機模型的校核與驗證。本文介紹了虛擬樣機特點,闡述了仿真系統(tǒng)VV＆A概念、過程及方法,最后制定了適合虛擬樣機仿真系統(tǒng)的模型驗證方法及驗?zāi)５脑瓌t。
2虛擬樣機技術(shù)
虛擬樣機(Virtual Prototype)就是工程人員利用計算機仿真平臺,針對已存在的或設(shè)計中機械設(shè)備建立的系統(tǒng)仿真模型,使它從外觀、功能和行為上模擬真實產(chǎn)品,而且用戶可以對其仿真模型進行各種虛擬實驗、分析,最后以圖形來顯示該系統(tǒng)在真實工程條件下的受力及運動特性,從中發(fā)現(xiàn)不足,進而預(yù)測故障、分析原因、優(yōu)化完善設(shè)計方案。采用虛擬樣機技術(shù),用數(shù)字化樣機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的物理樣機,可以簡化產(chǎn)品的研發(fā)過程,縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期,降低開發(fā)費用及成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量,獲得最優(yōu)化的設(shè)計產(chǎn)品。
機械系統(tǒng)仿真技術(shù)的核心是機械系統(tǒng)運動學和動力學仿真軟件。目前最具代表性的仿真軟件有ADAMS(Autoalys-is ofMechanical System)和DADS(Dynamics Anaysis and Design System)。下面以ADAMS為例,虛擬樣機仿真研究的步驟主要包括以下幾個方面:
1)機械系統(tǒng)建模:通過研究機械系統(tǒng)的組成,建立構(gòu)件的CAD三維模型,分析構(gòu)件之間的相對運動及受力關(guān)系,施加運動幅與載荷。
2)仿真試驗分析:設(shè)置仿真結(jié)果輸出,進行仿真試驗,得到仿真結(jié)果。
3)模型驗證:輸入實驗數(shù)據(jù),進行對比分析,驗證模型的正確性。
4)模型修改:通過模型驗證,得到仿真結(jié)果與實際機械系統(tǒng)結(jié)果的差異程度,在此基礎(chǔ)上,調(diào)整樣機模型的參數(shù),重新進行仿真試驗。
5)優(yōu)化分析:以模型中主要設(shè)計影響因素作為優(yōu)化的對象,進行試驗設(shè)計研究,對模型進行系統(tǒng)最優(yōu)化研究。
3仿真校核、驗證與確認的概念及方法
3. 1 基本概念
模型校核(verification)的目的是解決模型是否正確的問題,即證實模型轉(zhuǎn)換是否具有足夠的精度;
模型驗證(validation)是從預(yù)期應(yīng)用的角度來確定模型表達實際系統(tǒng)的準確程度,其目的和任務(wù)是根據(jù)建模和仿真的目的和目標,考察模型在其適用范圍內(nèi)是否準確地代表了實際系統(tǒng),達到了仿真與建模的目的;
模型確認(accreditation)是一權(quán)威機構(gòu)對是否接受模型的決定,它表明官方或決策部門已確定模型適用于某一特定的目的。
3. 2 VV＆A基本步驟
為了使仿真用戶和決策者對模型、仿真系統(tǒng)及其結(jié)果有足夠的信心,VV＆A必須貫穿于建模和仿真的全生命周期。
美國國防部把VV＆A工作劃分為確定VV＆A需求、計劃設(shè)計、概念模型校核、系統(tǒng)設(shè)計校核、系統(tǒng)實現(xiàn)校核、系統(tǒng)應(yīng)用校核、系統(tǒng)驗收七個主要步驟。在佛羅里達大學的仿真訓(xùn)練技術(shù)研究所組織的DIS研討會上,討論并通過了關(guān)于分布交互仿真系統(tǒng)DIS校核、驗證與驗收的九步過程模型,它定義了DIS系統(tǒng)開發(fā)生命周期各個階段所應(yīng)進行的校核、驗證與驗收工作[1]。下面結(jié)合虛擬樣機仿真系統(tǒng)的實際情況研究制定了虛擬樣機仿真系統(tǒng)的VV＆A七步過程:
第一步,制定VV＆A評估計劃:在開發(fā)虛擬樣機之前就應(yīng)進行概念化仿真系統(tǒng)VV＆A計劃,建立VV＆A方案的基本框架,包括VV＆A的主要步驟和可能需要進行的評估工作列表。
第二步,虛擬樣機軟件的校核、驗證:目前,虛擬樣機軟件都已經(jīng)商業(yè)化,由于軟件專利方面的原因,對仿真軟件的VV＆A還是一個難題。
第三步,校核機械系統(tǒng)的物理模型:因為各個構(gòu)件的運動及動力特性都已抽象成一個個物理模型,所以在把物理模型轉(zhuǎn)化為虛擬樣機之前,需對實際的物理模型進行校核,檢查物理模型的準確性,包括構(gòu)件的質(zhì)量特性、幾何特性及各個力學模型,這一步應(yīng)是VV＆A的重點工作。
第四步,用戶子程序的校核:雖然建立虛擬樣機采用的是商業(yè)化動力學分析軟件,但為擴展其應(yīng)用范圍,還需用戶開發(fā)一些外掛程序描述系統(tǒng)的力學特性,因此這一步應(yīng)是必不可少的一個環(huán)節(jié)。
第五步,驗證系統(tǒng)試驗結(jié)果:這一階段的主要目的是確認虛擬樣機仿真系統(tǒng)在多大程度上反映了真實物理模型的運動學及動力學特性,是否具有足夠的精度達到預(yù)期應(yīng)用目的。
第六步,進行樣機模型確認:負責系統(tǒng)驗收的權(quán)威機構(gòu)要審核虛擬樣機系統(tǒng)校核、驗證工作的結(jié)果,全面回顧和評價在系統(tǒng)仿真過程中進行的V＆V工作,并最終作出對該仿真是否可用的正式確認,對系統(tǒng)的可接受性問題作出驗收決定。
第七步,制定VV＆A報告:VV＆A報告要詳細記錄虛擬樣機系統(tǒng)VV＆A工作的各項成果,該報告將匯集到該仿真系統(tǒng)的資源倉庫,并為以后的仿真應(yīng)用提供依據(jù)。
仿真系統(tǒng)的不斷應(yīng)用可以提高系統(tǒng)的可信度,而對應(yīng)用進行VV＆A評估,詳細分析每次應(yīng)用中出現(xiàn)的問題和解決的辦法,記錄系統(tǒng)所進行的修改,如質(zhì)量剛度,阻尼以及其它力學參數(shù)的變化等。這些工作將對更大規(guī)模的仿真系統(tǒng)的開發(fā)和該系統(tǒng)的重用性提供參考依據(jù)、因此完成系統(tǒng)VV＆A工作后,在虛擬樣機的開發(fā)仿真系統(tǒng)的的應(yīng)用過程中,還要做好VV＆A的再評估工作。
3. 3 校核與驗證方法
仿真系統(tǒng)的校核與驗證方法是在仿真系統(tǒng)VV＆A過程中為完成VV＆A工作各階段目標而采用的各種技術(shù)、工具、策略等的總稱。在VV＆A領(lǐng)域,主要以仿真程序的校核為主,方法有:非正規(guī)方法、靜態(tài)分析、動態(tài)測試、符號分析、約束分析、理論證明等[1,7]。對于虛擬樣機仿真而言,模型的校核工作包括對虛擬樣機軟件與樣機模型的校核,但是,正如上文分析,由于目前軟件的商業(yè)化及專利方面的原因,對軟件的校核存在一定的困難。因此,虛擬樣機仿真系統(tǒng)的校核工作主要側(cè)重于對樣機模型各參數(shù)設(shè)置、運動約束及理論模型的校核。校核虛擬樣機的方法應(yīng)是定性的,可從以下三個方面來考察:利用ADAMS中的模型校核命令,來檢查運動幅連接是否正確或模型建立的是否合理;從虛擬樣機的仿真動畫演示,觀察各機構(gòu)的動作順序、方式及運動軌跡是否與物理樣機一致;采用專家評估的方法,觀察樣機中構(gòu)件的受力與運動是否符合工程實際,運動學與動力學分析結(jié)果是否可信。
對于復(fù)雜的仿真系統(tǒng),要從理論上驗證模型的正確性及可信度,是非常困難的,判斷虛擬樣機模型及其仿真結(jié)果是否準確的最終辦法是通過與實際機械系統(tǒng)的試驗數(shù)據(jù)進行比較,即考察試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的一致性。常用的模型驗證方法如表1所示。
表1所列的驗證方法,可分為定性和定量兩大類:定性方法是通過主觀確認的方法或者計算某個性能指標值(如TIC不等式系數(shù)、灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)等)來考核仿真輸出與實際系統(tǒng)輸出之間的一致性,它最終只能給出定性結(jié)果;定量方法(如譜分析法)可以對仿真結(jié)果與實際系統(tǒng)運行結(jié)果之間的一致性進行定量的分析,它適用于對試驗結(jié)果的動態(tài)性能的驗證。在決定采用何種方法時,應(yīng)考慮方法的適用范圍及研究對象的特點,綜合選用多種方法,從不同角度對仿真模型進行驗證[1,2,4]。
在進行仿真模型驗證時,需要對物理樣機的實測數(shù)據(jù)進行檢查,應(yīng)保證實際系統(tǒng)的試驗條件及其它運行條件與虛擬樣機的一致性,如果試驗條件不一致,那么仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)就沒有可比性[3]。
通過對常用模型驗證方法的分析,結(jié)合虛擬樣機仿真系統(tǒng)的特點,判斷虛擬樣機模型及其仿真結(jié)果是否準確的辦法有主觀確認法、動態(tài)關(guān)聯(lián)法及頻譜分析法。
1)主觀確認法
主觀確認法只能給出一個定性的評價,可以通過比較仿真結(jié)果輸出曲線與實測數(shù)據(jù)曲線的外形輪廓、幅值或均值,來驗證樣機模型與實際模型的一致性。它由于操作起來比較直觀且應(yīng)用簡便,可以作為對虛擬樣機的概略驗證。
實行時,通常是由一些專家組成的分析人員,憑經(jīng)驗對模型進行評估,它最大的缺點是易受分析人員主觀意志的影響。為降低主觀意志在評估過程中對評價結(jié)果的影響,應(yīng)在事先制定相關(guān)的評價準則或評分標準。
2)動態(tài)關(guān)聯(lián)法[5,7]
動態(tài)關(guān)聯(lián)法也是一種定性的評價方法,它的基本思想是:通過兩個序列的誤差計算,可以給出某一性能指標來度量兩個時間序列一致性的程度。包括THEIL不等式法、灰色關(guān)聯(lián)度法。
對于單輸出的時間序列,THEIL不等式系數(shù)定義為:
xt是實際系統(tǒng)運行時主要測量參數(shù)的時間序列;
yt是仿真系統(tǒng)仿真運行時產(chǎn)生的相應(yīng)時間序列。
當ξ取值比較小時,仍能得到較大的γ(γ > 0. 5),則認為仿真模型輸出與參考輸出之間具有較強的相關(guān)性,而且對于取定的ξ,γ越大二者的關(guān)聯(lián)性越強。其中,λt是權(quán)函數(shù),它的取值一般要根據(jù)具體的問題憑經(jīng)驗而定。
3)譜分析法
譜分析法的原理是:計算兩個隨機序列在頻率域中的功率譜,通過比較功率譜的一致性來判斷兩個隨機序列一致性的程度。它適用于對試驗結(jié)果的動態(tài)性能的驗證,在虛擬樣機仿真系統(tǒng)中,對分析仿真輸出特性時,可以通過比較仿真模型輸出頻譜與實際系統(tǒng)測試頻譜的一致性來確認仿真模型的有效性。
從譜估計來說,人們總是要求有較小的分辨誤差和方差。在有限觀測時間內(nèi),減少分辨誤差將導(dǎo)致方差的增大。
因此,一個良好的譜估計總是在兩者之間尋求一種折衷,如經(jīng)典的Fourier譜估計。然而它存在明顯的缺陷,于是Burg提出最大熵譜估計,它是基于相關(guān)函數(shù)的變換,方法是用隨機過程所對應(yīng)的概率密度函數(shù)之熵的最大值把自相關(guān)函數(shù)進行外推。由于它具有較高的分辨率,因此應(yīng)用得比較普遍[6,8]。
4驗?zāi)５脑瓌t
為避免在驗證虛擬樣機仿真系統(tǒng)時產(chǎn)生一些不必要的錯誤,以提高VV＆A工作的效率,在虛擬樣機的VV＆A過程中,應(yīng)該遵循以下幾條原則:
1)沒有絕對有效的模型:因為仿真是對實際系統(tǒng)的一種模擬,所以追求絕對完善的模型是不實際的;
2)仿真模型的可信度應(yīng)根據(jù)仿真對象與仿真目的來確定:不同的研究對象對模型的精度要求是不同的。這取決于仿真預(yù)期對仿真結(jié)果精度的要求,仿真可信度需由研究對象來評判;
3)只需對虛擬樣機的重要方面提出可信性要求;
4)VV＆A工作要科學,要有計劃性和獨立性;
5)實驗驗證數(shù)據(jù)要可信,應(yīng)保證仿真條件與實驗條件的一致性。
5結(jié)束語
VV＆A過程是建立有效的仿真模型的重要保證,對于降低仿真風險,提高仿真的可信度具有重要的作用。本文在分析虛擬樣機的特點及仿真步驟基礎(chǔ)上,討論了仿真系統(tǒng)的VV＆A過程、方法及驗?zāi)５脑瓌t,并對虛擬樣機的VV＆A過程進行了初步的研究。目前分布交互式仿真系統(tǒng)的VV＆A研究起步較早,相應(yīng)的標準和研究成果比較多,對虛擬樣機仿真的VV＆A工作還未全面展開,下一步應(yīng)對虛擬樣機仿真系統(tǒng)VV＆A進行深入的研究。
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