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虚拟试验中的模型校核与验证

2017/7/17    来源:互联网    作者:姚刚  吴存利  张生贵      
关键字:虚拟试验  校核与验证  误差统计  试验与分析一致性  
本文介绍了虚拟试验中模型校核与验证(V&V)的基本概念、原则和影响因素,着重介绍了虚拟试验模型校核和验证的一般方法。

    0 引言

    目前,国内外的仿真界已经达成了共识:仿真模型必须经过验证才具有参考价值,仿真系统也必须经过可信性评估才具有实用价值。工程实践也表明:要想让仿真系统真正具有生命力,必须对系统的建模与仿真进行可信性研究,仿真的可信性研究又常称为“校核与验证”,即V&V(VerificationandValidation)。

    虚拟试验中模型的校核和验证技术是保证模型具有较高可信度的有力手段。校核决定了计算模型相对于数学模型的保真度,模型验证则是从预想应用的观点出发,决定计算模型相对于真实过程的准确体现度。即模型的校核确保了仿真模型是按照需求正确建立的,而模型验证则要保证模型的可信度。校核侧重于对建模过程的检验,验证侧重于对仿真结果的检验。

    1 研究现状

    国外对仿真的V&V研究最早开始于对仿真模型的校验研究,这可以追溯到上世纪60年代仿真应用的初期,至今已经有四十多年的历史了。1962年Biggs和Cawthore等对“警犬”导弹仿真系统进行了全面探究。美国计算机仿真学会20世纪70年代中期成立了模型可信性技术委员会,其研究任务是与模型校验相关的概念和术语。20世纪80年代中期开始对仿真的V&V研究的重点由仿真模型的校验方法研究为主转向如何更加全面地、系统地对仿真进行V&V研究上来。90年代以后,许多政府和学术机构等都成立了相应的组织,来制定各自的建模与仿真的V&V规范。1991年美国国防部成立了国防建模与仿真办公室,于1996年完成了国防部V&V建议实施指南第一版,2001年完成了V&V建议实施指南第二版。在此期间,1997年IEEE通过了关于分布式交互仿真系统建模与仿真V&V的标准。

    在国内,直到80年代才有建模与仿真可信性方面的论述。90年代开始对V&V的概念、技术和工程应用等进行了研究。特别是总装仿真专家组开展了“九五”预研工作,研究出了防空多武器平台仿真示范系统。近些年来,随着仿真技术的发展,建模与仿真的可信性研究工作得到一定程度的推动,表现在许多单位开展了建模与仿真的V&V研究工作,国内的仿真文献中也开始涉及仿真可信性研究问题。许多学者在这方面作了非常有意义的研究工作,而有关这方面问题的研究也一直是国内系统仿真领域研究的热点和仿真学术会议的主要议题。我国的仿真工作者在基于与实际系统的测试或运行结果相对照的验证方法的开发与应用方面的仿真可信性问题进行了许多有益的探索,如北京航空航天大学、国防科大、哈工大和北京理工大学等单位对基于HLA(HighLevelArchitecture)的可信性问题都进行了一定的研究。

    2 模型校核

    通俗地讲,模型校核(Verification)就是评估计算模型相对于数学模型的保真度吒这就要求数学模型必须是精确的。众所周知,数学模型一般指的是含边界条件、初始条件以及本构关系的一组偏微分方程,其精度是通过试验来验证的。模型校核是将有限元的数值解与数学模型的精确解进行比较,以解决数值分析、软件质量、软件编程误差以及对数值误差的估计,校核是核查输入的数据是否正确,计算程序是否工作正常,计算结果的误差是否在允许的限度内。模型校核包含两个基本过程:一个是代码校核;另一个是运算校核。

    代码校核指的是确保无程序错误,离散的数值算法能得到相对于控制方程真解的精确解,也包括软件质量工程检查。代码校核主要是检查迭代收敛速率、数值解对坐标转换的依赖程度等问题,证明数值算法能正确被软件执行,并确保达到其期望的功能。

    运算校核指的是确认求解精度的过程,包括模型在时间和空间离散化误差、迭代误差和截断误差。运算校核应用于计算模型中,其目标是估算离散化过程形成的数值误差。

    3 模型验证

    模型验证(Validation)的目标是确定模型的预测能力,通过度量计算结果与试验结果一致性来实现。对模型预测能力的验证还包括其所应用的范围,因此除了采用已有的试验数据外,有时还需规划新的试验以便对模型进行验证。如果由计算模型得到的结果在预先指定的精度范围内,则认为模型可通过验证。

    一般而言,模型验证需采用积木式方法。这是因为当虚拟试验结果与物理试验结果一致性不好时,很难确定这种差异性是由那个子结构引起的。即使虚拟试验结果与物理试验结果一致性较好,也不能断定计算模型一定有较好的质量,有时由于子结构之间误差的相互抵消也可能得到与试验一致性较好的结果。因此,需要采用积木式策略对模型进行逐级验证。

    作为计算模型的验证试验,认为试验件的几何尺寸、初值、边界条件以及模型输入的所有参数均是已知和准确的,而对所施加的载荷、各种响应量以及边界条件变化应细致测量,并对测量中的不确定量进行评估。这些不确定量包括测量误差、设计容差、制造工艺不确定性等,为了有效评估计算结果,需要分析试验中各不确定量来源及其对试验结果的影响度,一般情况下通过统计将不确定量以均值和方差形式给出,如果无统计值,也应该根据经验和专家建议对不确定量进行评估,避免在忽略不确定性的情况下,对模型预测的可靠性下结论。

    对试验的不确定量评估之后,就要对模型可靠性进行确认。这包括:比较试验值和计算值的一致性;按照最初设定的模型保真度,对计算模型进行评定。如果模型不能满足要求,则需对模型进行修正。模型修正主要考虑以下几方面因素:

    ⑴所采用的元素是否能模拟真实结构;

    ⑵拓扑结构简化是否合理;

    ⑶材料属性简化是否正确;

    ⑷载荷和约束条件简化是否与真实边界一致;

    ⑸采用的分析流程是否正确。如材料进入塑性阶段,仍采用线性流程去计算等。

    经过校核与验证的模型,需对其进行有效管理,即模型数据的管理,即对模型形成过程的管理,它包含建模过程所采用的材料数据库、建模方法库,以及为模型修改和模型验证提供的试验数据库等。这类体现了对结构合理工程抽象和离散化表示的模型,可用于飞机的研发过程,作为结构性能分析预计的依据,用于强度校核与试验验证,或作为其他分析的基础模型,也可借助该类模型在飞机的使用寿命期内完成必需的分析预计、故障再现,为飞机的改进或改型提供技术支持。

    4 模型校核和验证一般方法

    虚拟试验模型的校核和验证重点关注的是模型验证,对于模型校核,主要根据典型结构的基准模型库或知识库对分析模型校核,方法较为简单,这里不再赘言。以下重点介绍模型验证方法。虚拟试验模型验证采用定量分析方法。定量分析方法有两种,一种是结果直接比较分析法,另一种是统计分析法。

    结果直接比较分析法是将仿真结果与试验结果进行直接比较,对于静强度而言,可比较的量有位移、应变、破坏载荷和破坏模式等。直接比较法可以用试验结果对模型可靠性直观评价。

    以一个机翼盒段结构为例,就直接将虚拟试验的破坏载荷和破坏模式与物理试验结果进行比较:以翼尖上表面施加有载荷的有限元结点为参考,绘制出该结点的外载一烧度曲线,见图1。得到计算破坏载荷约为136%的设计载荷。试验破坏载荷为128%,试验破坏载荷与计算破坏载荷的误差为6.25%。计算得到的破坏模式在机翼根部,试验破坏模式也在机翼根部,见图2。就破坏载荷和破坏模式而言,仿真结果与试验结果相吻合,认为该部段的仿真模型具有较高可信度。

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责任编辑:张纯子
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