测试协同的CAE仿真-张湝渭-中国CAE·2008总动员

        测试与仿真是工程师发现、了解并解决产品工程问题的两种有效方法。随着计算机硬件的发展及CAE（Computer Aided Engineering）算法的进步，越来越多的产品测试被仿真分析取代。正是因为仿真数据的大量使用，仿真模型及算法较以前更需要真实的测试数据作为依托。同时，因测试数量的减少，有效成功的测试变得更为困难且更加重要，而CAE仿真往往又正是帮助实现规划有效测试的最佳途径。与CAT（Computer Aided Test）测试协同的仿真因此正在成为当前CAE工程师的重要研究课题及方向。

        以结构分析为例，常见的CAE仿真与CAT测试间的关系往往可以用图1表示。

        CAE的核心思想是以复杂工程问题为背景，建立经过简化、离散的分析模型，借助计算机数值模拟获得对相应物理行为的解答。是否能真正达到CAE仿真的目的取决于1个与实际状态等效的有效分析模型；然而建模过程往往存在许多不确定因素，如模型的简化、参数的确定、阻尼的合理选取以及载荷、边界条件的正确模拟等。通过对真实或缩减的试验模型进行测量，可先期获得支撑CAE模型的相关参数，并可依据分析—测试相关性技术验证CAE模型的准确有效性并进行相应优化。譬如，在有限元模态分析和模态测试之间，通过模态判定准则和交叉正交性等多目标优化方法可同时调整多个参数和多个边界状态，绘制模态振形与频率响应函数图形，通过比较彼此之间的相似性与差异性，进行频率和响应校正修正，寻找可能造成误差的位置和区域，判断应变能和动能，从而可以从网格、几何、连接和属性等方面修正分析模型中的不确定因素。

        同时，测试数据作为验证分析模型的基准，也必须确认其获取过程及仪器布置的有效性和适当性。通常测试数据的准确度往往受限于测试环境、测试仪器、载荷及边界条件、测量点选取及导出数据的处理等因素。所以，要进行有效率的测试并据以获取1组有效的结果数据，合理的测试规划不可或缺；而以CAE技术为中心的测试预分析（Pre-Test Analysis）正扮演着这个积极的角色。譬如，常见的振动测试中，有效的测试方案需要预先规划激励方式、激振点和测量点的位置、模态频率、模态阻尼比及模态振型的确定方法，需要进行传感器测量系统灵敏度、频率特性、动态范围和横向灵敏度等的校准，CAE仿真可以模拟测试环境帮助选择测试方案，获得有效的测试设置和有效率的试验数据。

        仿真和测试面向同一个工程对象，是相互独立又相互联系的过程。在迈向测试—仿真协同的过程中，借助1个平台实现不同形式的CAE和CAT数据共享是关键的第1步；而协同更积极的作用是以CAE仿真帮助，了解并排除测试的干扰，选取有效的测量设置；再透过先进的相关性优化技术，获取经CAT数据修正的有效CAE模型，作为工程优化的基点。

        在过去十几年中，CAE仿真的价值已普遍获得国内各大企业及研究机构的认同，并已充分体现在航空、航天、汽车、船舶等重要领域。而在CAE仿真与CAT测试协同方面，也随着CAE的普及正获得愈来愈多的关注。再以振动分析为例，在分析—测试数据共享平台、测试预分析、分析—测试相关性及仿真模型修正等方面，在国际上皆有成熟的技术值得引进。例如，在美国航天、航空界极负盛名的ATA-Engineering（www.ata-e.com）公司就是此类技术方面的佼佼者，它提供的IMAT和Attune等软件通过自动相关过程及1组领先的优化方法，应用数据背后的工程规则，构建实用的高质量集成平台，实现CAE与CAT从几何相关到物理相关的跨越。

专家简介:
        张湝渭，1987年获美国伊利诺大学博士学位，发表国际论文26篇。张博士在结构动力学、机构多体动力学和有限元方法方面有超过25年的研究与实践经验。张博士历任美国宇航局（NASA）空间结构研究员、美国SDRC公司总部CAE技术总监、EDS公司CAE软件策划及全球技术支持总监、UGS公司CAE系统仿真总监，目前任职美资博览达软件科技（上海）有限公司总裁。博览达公司目前总代理多项国际知名CAE软件，包括Siemens PLM Software公司的NX Nastran和Femap，加拿大MAYA公司的TMG，FunctionBay公司的RecurDyn，以及ATA-Engineering公司的IMAT，Attune和Rotate等软件产品。