CN114925502A - 一种数字化验证模型的构建方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种数字化验证模型的构建方法及装置。所述方法包括：根据产品研制信息和应用使用信息，确定基础机电产品的应用验证需求信息；基于所述应用验证需求信息，构建得到所述基础机电产品在多个层面下的数字化验证剖面信息；根据多个层面下的数字化验证剖面信息，构建得到基础机电产品的数字化验证模型。本发明实施例工程可操作性强，可以提高应用验证的效率。

Description

一种数字化验证模型的构建方法及装置

技术领域

本发明涉及数字化建模技术领域，特别是一种数字化验证模型的构建方法及装置。

背景技术

新一代型号装备的快速发展对配套的基础产品功能性能、质量可靠性、环境适应性和装联稳定性提出了越来越高的要求，基础产品具体包括电子元器件、关键材料、基础机电产品、关键软硬件等。随着基础产品领域的发展，采用新设计、新结构、新材料、新工艺的新型基础产品不断涌现，而新型基础产品研制及鉴定过程所能提供的信息和数据尚不能充分表征其应用信息，已完成研制定型后的基础产品在型号的推广应用过程中仍存在“不好用”、“不敢用”和“用不好”等问题。

判断新型基础产品能否满足新型装备发展建设需求，需要应用验证给出答案。应用验证作为基础产品研制和应用之间的桥梁，是保证产品可靠性的一个重要环节。面向国产化基础机电产品应用验证需求，针对试验验证边界条件难以确认，试验验证周期长，试验验证后质量问题复现缺乏高质量、高效率手段等问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种数字化验证模型的构建方法及装置。

本发明实施例的技术解决方案是：

第一方面，本发明实施例提供了一种数字化验证模型的构建方法，包括：

根据产品研制信息和应用使用信息，确定基础机电产品的应用验证需求信息；

基于所述应用验证需求信息，构建得到所述基础机电产品在多个层面下的数字化验证剖面信息；

根据多个层面下的数字化验证剖面信息，构建得到基础机电产品的数字化验证模型。

可选地，所述根据产品研制信息和应用使用信息，确定基础机电产品的应用验证需求信息，包括：

对从各个用户单位收集的安装工艺性要求进行分析汇总，并进行差异对比分析，识别出所述基础机电产品的安装需求信息；

对从各个用户单位收集的功能性能要求进行分类汇总，并进行差异对比分析，识别出所述基础机电产品全部的功能性能需求信息；

对从各个用户单位收集的工况环境要求信息进行分类汇总，并进行差异对比分析，识别出所述基础机电产品的环境因素；

对从各个用户单位收集的使用寿命可靠性要求信息进行分类汇总，并进行差异对比分析，识别出所述基础机电产品全部的寿命可靠性要求信息；

将所述安装需求信息、所述功能性能需求信息、所述环境因素和所述寿命可靠性要求信息，作为所述基础机电产品的应用验证需求信息。

可选地，所述基于所述应用验证需求信息，构建得到所述基础机电产品在多个层面下的数字化验证剖面信息，包括：

基于所述应用验证需求信息，构建得到所述基础机电产品在几何层、物理层、行为层和规则层四个层面下的数字化验证剖面信息。

可选地，所述根据多个层面下的数字化验证剖面信息，构建得到基础机电产品的数字化验证模型，包括：

根据所述多个层面下的数字化验证剖面信息，构建得到所述基础机电产品在多种性能下的数字化验证模型；

所述多种性能包括：安装工艺性、功能性能、润滑性能、运动学性能和寿命可靠性。

可选地，在所述根据多个层面下的数字化验证剖面信息，构建得到基础机电产品的数字化验证模型之后，还包括：

基于所述数字化验证模型对目标基础机电产品进行数字化验证，得到验证结果；

根据所述验证结果，确定所述目标基础机电产品是否满足工程要求条件。

第二方面，本发明实施例提供了一种数字化验证模型的构建装置，包括：

应用验证信息确定模块，用于根据产品研制信息和应用使用信息，确定基础机电产品的应用验证需求信息；

验证剖面信息构建模块，用于基于所述应用验证需求信息，构建得到所述基础机电产品在多个层面下的数字化验证剖面信息；

数字化验证模型构建模块，用于根据多个层面下的数字化验证剖面信息，构建得到基础机电产品的数字化验证模型。

可选地，所述应用验证信息确定模块包括：

安装需求识别单元，用于对从各个用户单位收集的安装工艺性要求进行分析汇总，并进行差异对比分析，识别出所述基础机电产品的安装需求信息；

功能性能需求识别单元，用于对从各个用户单位收集的功能性能要求进行分类汇总，并进行差异对比分析，识别出所述基础机电产品全部的功能性能需求信息；

环境因素识别单元，用于对从各个用户单位收集的工况环境要求信息进行分类汇总，并进行差异对比分析，识别出所述基础机电产品的环境因素；

寿命可靠性要求识别单元，用于对从各个用户单位收集的使用寿命可靠性要求信息进行分类汇总，并进行差异对比分析，识别出所述基础机电产品全部的寿命可靠性要求信息；

应用验证需求获取单元，用于将所述安装需求信息、所述功能性能需求信息、所述环境因素和所述寿命可靠性要求信息，作为所述基础机电产品的应用验证需求信息。

可选地，所述验证剖面信息构建模块包括：

验证剖面信息构建单元，用于基于所述应用验证需求信息，构建得到所述基础机电产品在几何层、物理层、行为层和规则层四个层面下的数字化验证剖面信息。

可选地，所述数字化验证模型构建模块包括：

数字化验证模型构建单元，用于根据所述多个层面下的数字化验证剖面信息，构建得到所述基础机电产品在多种性能下的数字化验证模型；

所述多种性能包括：安装工艺性、功能性能、润滑性能、运动学性能和寿命可靠性。

可选地，所述装置还包括：

验证结果获取模块，用于基于所述数字化验证模型对目标基础机电产品进行数字化验证，得到验证结果；

工程要求条件确定模块，用于根据所述验证结果，确定所述目标基础机电产品是否满足工程要求条件。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明实施例充分考虑基础机电产品的产品类型、应用验证需求与验证指标体系、验证剖面构建因素等，通过数字化手段构建了基础机电产品的数字化验证模型，开展了基于数字化模型的基础机电产品验证评价方法的研究，具有很强的工程实用性，为型号装备用基础机电产品提供一种规范、实用且可操作的数字化验证方法，以指导型号装备用基础机电产品的数字化验证实施，实现型号装备用基础机电产品的快速有效的应用验证，辅助和完善现有应用验证技术体系。本发明可以有效节省应用验证试验的时间和成本，大大提高应用验证的时效性，具有较大的经济效益。且，本发明实施例装备型号用基础机电产品应用验证提供重要的参考，并可以推广应用于其他基础产品应用验证领域，即可以保证方法的工程可操作性，又可以保证应用验证的效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种数字化验证模型的构建方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例提供的一种安装工艺性数字化验证建模流程的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种结构性能数字化验证建模流程的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种润滑性能数字化验证建模流程的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种运动学性能数字化验证建模流程的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种多体动力学性能数字化验证建模流程的示意图；

图7为本发明实施例提供的一种力学极限条件下数字化验证建模流程的示意图；

图8为本发明实施例提供的一种热学极限条件下数字化验证建模流程的示意图；

图9为本发明实施例提供的一种自然环境适应性数字化验证建模流程的示意图；

图10为本发明实施例提供的一种磨损寿命数字化建模流程的示意图；

图11为本发明实施例提供的一种疲劳寿命数字化建模流程的示意图；

图12为本发明实施例提供的一种可靠性数字化建模流程的示意图；

图13为本发明实施例提供的一种座圈产品三维几何模型的示意图；

图14为本发明实施例提供的一种拧脱力矩随时间变化曲线的示意图；

图15为本发明实施例提供的一种数字化验证模型的构建装置的结构示意图。

具体实施方式

实施例一

参照图1，示出了本发明实施例提供的一种数字化验证模型的构建方法的步骤流程图，如图1所示，该数字化验证模型的构建方法可以包括以下步骤：

步骤101：根据产品研制信息和应用使用信息，确定基础机电产品的应用验证需求信息。

在本发明实施例中，涉及的研究对象基础机电产品及其组件为实现某功能(结构或运动)的包含产品本身在内的各种机械(含部分电器)零部件组合，可以是独立的单个零件，也可以是多个零件组合而成的组件，目前基础机电产品涉及轴承、紧固件、轴承座、主轴、花键、定位销、齿轮、滚珠丝杠、泵、阀、电机、密封件、管路连接件、机电接插件等。

在构建数字化验证模型时，可以根据产品研制信息和应用使用信息，确定出基础机电产品的应用验证需求信息，具体地，可以结合下述具体实现方式进行详细描述。

在本发明的一种具体实现方式中，上述步骤102可以包括：

子步骤A1：对从各个用户单位收集的安装工艺性要求进行分析汇总，并进行差异对比分析，识别出所述基础机电产品的安装需求信息。

在本发明实施例中，基础机电产品的应用安装、使用需求分析主要对从各个用户单位收集的安装工艺性要求进行分析汇总，差异对比分析，识别出基础机电产品安装工艺和安装程序的合理性要求，识别出安装工装适用性和安装工具适用性要求，识别出安装质量要求等。通过对基础机电产品应用安装、使用需求分析，可明确产品安装工艺指标要求与范围，形成基础机电产品的安装工艺性数字化验证指标。

子步骤A2：对从各个用户单位收集的功能性能要求进行分类汇总，并进行差异对比分析，识别出所述基础机电产品全部的功能性能需求信息。

基础机电产品的应用功能性能需求分析主要对从各个用户单位收集的功能性能要求进行分类汇总，差异对比分析，识别出基础机电产品全部的功能性能需求，包括通用的功能性能、型号特殊的功能性能、以及特殊的应用指标和极限应用要求等。通过对基础机电产品应用功能性能需求分析，可明确产品功能性能指标要求与范围，形成基础机电产品的功能性能数字化验证指标。

子步骤A3：对从各个用户单位收集的工况环境要求信息进行分类汇总，并进行差异对比分析，识别出所述基础机电产品的环境因素。

基础机电产品的应用环境适应性需求分析主要对从各个用户单位收集的工况环境要求进行分类汇总，差异对比分析，识别出基础机电产品的环境因素，形成典型的应用环境剖面。力学环境剖面以振动、冲击和加速度等为主，热学环境剖面以高温、低温、温度冲击、温度循环等为主，自然环境剖面以湿度、霉菌、盐雾等为主。通过对基础机电产品应用环境适用性需求分析，可明确产品应用环境指标要求与范围，形成基础机电产品的环境适应性数字化验证指标。

子步骤A4：对从各个用户单位收集的使用寿命可靠性要求信息进行分类汇总，并进行差异对比分析，识别出所述基础机电产品全部的寿命可靠性要求信息。

基础机电产品的应用寿命可靠性性需求分析主要对从各个用户单位收集的使用寿命可靠性要求进行分类汇总，差异对比分析，识别出产品全部的寿命可靠性要求。例如用户对产品设计、制造、结构、工艺、材料等方面的可靠性要求，以及寿命可靠性指标要求等。通过对基础机电产品应用寿命可靠性需求分析，可明确产品应用环境指标要求与范围，形成基础机电产品的寿命可靠性数字化验证指标。

子步骤A5：将所述安装需求信息、所述功能性能需求信息、所述环境因素和所述寿命可靠性要求信息，作为所述基础机电产品的应用验证需求信息。

在通过基础机电产品的应用验证需求调研与分析形成安装工艺性、功能性能、环境适应性和寿命可靠性数字化验证指标体系，可以作为基础机电产品的应用验证需求信息，以为基础机电产品数字化验证剖面构建提供输入。

步骤102：基于所述应用验证需求信息，构建得到所述基础机电产品在多个层面下的数字化验证剖面信息。

在获取到基础机电产品的应用验证需求信息之后，可以基于应用验证需求信息构建得到基础机电产品在多个层面下的数字化验证剖面信息。

在本实施例中，基础机电产品的数字化验证剖面包括产品级和组件级两个层面，具体有几何层、物理层、行为层和规则层四个方面。在得到应用验证需求信息之后，可以根据应用验证需求信息，构建得到基础机电产品在几何层、物理层、行为层和规则层的四个层面下的数字化验证剖面信息，其中，

在几何层，针对基础机电产品本身，主要考虑其几何尺寸、形状精度、表面粗糙度等特征；针对组件级产品，在考虑基础机电产品特征的基础上，主要考虑装配公差、形位公差、配合间隙、安装工艺等要素。与基础机电产品的安装工艺性验证指标相呼应，形成基础机电产品的安装工艺数字化验证剖面。

在物理层，针对基础机电产品自身，在考虑几何特征的基础上，主要考虑材料属性、弹性变形、热变形等特征；针对组件级产品，在考虑基础机电产品特征的基础上，主要考虑结构强度、结构动力学、流体力学、刚柔耦合、热力耦合等。与基础机电产品的功能性能验证指标相呼应，形成基础机电产品的功能性能数字化验证剖面。

在行为层，针对基础机电产品自身及其组件，在考虑物理特征的基础上，主要考虑振动、冲击和加速度等机械环境剖面；高温、低温、温度冲击、温度循环等热学环境剖面；湿热、霉菌、盐雾等自然环境剖面。与基础机电产品的环境适应性验证指标相呼应，形成基础机电产品的环境适应性数字化验证剖面。

在规则层，针对基础机电产品自身及其组件，寿命方面主要考虑磨损、疲劳、老化、腐蚀；可靠性方面主要考虑平均故障间隔时间、平均失效前时间、失效率等。与基础机电产品的寿命可靠性验证指标相呼应，形成基础机电产品的寿命可靠性数字化验证剖面。

在得到数字化验证剖面信息之后，执行步骤103。

步骤103：根据多个层面下的数字化验证剖面信息，构建得到基础机电产品的数字化验证模型。

基础机电产品数字化验证建模过程中，重点关注基础机电产品本身及组件的几何模型、有限元模型和解析模型的要求，关注模型简化处理、模型参数化处理和模型检查要求等内容，构建的数字化验证模型是建立在仿真条件下的基础机电产品的安装工艺性、功能性能、环境适应性和寿命可靠性数字化验证模型。基础机电产品数字化验证模型构建大体包括几何模型的构建与简化、有限元模型的构建与参数化处理、解析模型的构建与计算、模型各个接口定义、以及模型精度校核与模型调试、模型数字化仿真数据处理等重要步骤。

在得到多个层面下的数字化验证剖面信息之后，可以基于多个层面下的数字化验证剖面信息构建得到基础机电产品的数字化验证模型，在本示例中，构建得到的基础机电产品在多种性能下的数字化验证模型，其中，多种性能可以包括：安装工艺性、功能性能、润滑性能、运动学性能和寿命可靠性等。

接下来结合说明书附图对本发明实施例提供的基础机电产品各个数字化验证模型的构建进行如下详细描述。

一、安装工艺性数字化验证建模流程与要求

结合待验证基础机电产品的相关特点，制定出安装工艺性数字化验证建模的一般流程及要求，建模流程可以如图2所示：

1、装仿真环境设置包括仿真软件的选择、装配信息的建立、装配模型的导入、操作者模型的建立、装配工具模型的建立与导入、装配空间模型的建立等；

2、安装顺序的制定与优化，安装顺序的制定是根据模型推理出无碰撞的安装方向，进而推理出几何和物理可行的安装顺序。在优化安装顺序时主要考虑安装产品的稳定性和安全性；安装产品的模块性和安装序列并行度等；

3、安装路径的制定与优化，在安装过程中，每个零部件都是沿着初始的安装轨迹运动到目标位置，若移动过程中不和其他零部件发生碰撞，这样的运动轨迹称为该零部件的(可行)安装路径；安装路径生成后，需要从多个路径解中选择最优路径，一般选择平滑的、最短的和成本最低的路径等作为最优路径；

4、干涉与碰撞分析，产品安装过程中产生干涉的原因主要包括设计错误导致零件形状、尺寸不合理，造成装配干涉；安装路径规划不合理导致安装干涉；安装顺序协调规划不合理导致干涉；

5、人机功效分析，在安装工艺仿真中，利用人机工程技术，根据仿真环境，通过对操作者模型的控制，模拟生产现场装配人员在安装时的各种实际操作，并基于此进行测试和分析，实现对已设计的方案进行人机工效评估，以便及时发现产品在安装中可能遇到的问题。

二、功能性能数字化验证建模流程与要求

基础机电产品及其组件的功能性能数字化验证模型主要考虑结构强度、动力学及运动学、流体力学、刚柔耦合、热力耦合等多个方面。

根据验证需求与验证剖面分析，可确定基础机电产品及其组件的功能性能数字化验证项目。通过结构强度、流体力学、多体动力学等商业软件，来开展基础机电产品及其组件的结构强度特性、润滑特性、动力学及运动学特性等，建立结构性能数字化验证模型库、润滑性能数字化验证模型模型库、动力学及运动学性能数字化验证模型库。

(1)结构性能数字化验证建模流程与要求

a)几何模型构建，研究基础机电产品的结构组成特点，提出对问题的合理简化，包括尺寸、形状、材料、支承、连接关系和载荷简化，提炼出与结构性能模型对应的几何模型，制定分析方案；

b)建立有限元模型，针对不同的分析类型、选择不同的网格包括网格的大小和网格类型，这部分往往根据不同的分析工况(要对重点关注的零部件做网格加密处理，可让计算更加准确)，添加材料数据、边界条件数据和载荷数据，运用有限元分析软件，进行计算；

c)建立有限元模型过程中往往还会经历失败，需要进行试算，根据试验数据反复的修改模型，确定适合基础机电产品及其组件结构在振动和温度条件下的性能仿真模型，修改方案等反复过程，形成基础机电产品及其组件的结构性能数字化验证模型库，建模流程可以如图3所示。

(2)润滑性能数字化验证建模流程与要求

在掌握基础机电产品内部润滑特性的基础上，基于计算流体力学(CFD)方法，运用流体体积(VOF)多项流模型和湍流模型，建立包含基础机电产品及其组件的飞溅润滑数值仿真模型。该模型可分析产品内部润滑油的润滑特性，具体包括基础机电产品及其组件的转速、不同浸油深度对关键位置润滑油流量的影响，形成基础机电产品及其组件的润滑性能数字化验证模型库，建模流程如图4所示。

(3)运动学性能数字化验证建模流程与要求

运动学性能数字化验证建模主要考虑基础机电产品及其组件间的相对运动，包括速度、加速度、位置、以及角速度和角加速度等物理参量。根据基础机电产品及其组件设计输入与剖面要求，形成基础机电产品及其组件的运动学性能数字化验证模型库，具体建模流程如图5所示。

A：基础机电产品及其组件的几何模型由三维建模软件建立，并在建模软件环境中进行模型简化以实现满足计算精度的前提下提高计算效率，提高运动学建模效率，简化后的几何模型通过建模软件与运动学仿真软件的数据接口精确的导入运动学仿真分析环境中。

B：基础机电产品及其组件由不同的部组件组成，在运动学仿真软件中将不同组件的材料参数赋予运动机构。将三维模型导入至运动学仿真软件中，按照传动方式定义各个零部件之间的连接关系，完成运动学模型的建立。

C：基础机电产品及其组件中有齿轮和滚珠丝杠，齿轮传动一直是运动学仿真分析中约束添加的难点，为达到真实齿轮模拟的效果需要在每个齿上添加相应的接触，会增大计算量，在精确三维模型的基础上，将减速器上的每个主动齿轮分别与从动齿轮添加齿轮副，并定义相关的传动特性，建立减速器的运动学分析模型，在建立滚珠丝杠的仿真模型时，重点考虑丝杠与螺母配合间的传动，利用相关运动副建立器传动特性。

(4)多体动力学性能数字化验证建模流程与要求

在基础机电产品及其组件的多体动力学性能数字化验证模型可考虑传动环节存在的非线性因素，如轴承的间隙、丝杠的回程间隙等，根据传动系统的力学传递特性，形成基础机电产品及其组件的多体动力学性能数字化验证模型库，建模流程如图6所示。

a：开展基础机电产品及其组件传动间隙接触特性分析，传动间隙是影响其性能的主要因素。受加工制造及装配性要求，产品内存在间隙的主要包括电机轴与丝杠的键联接间隙、滚珠丝杠副丝杠两端轴承与壳体装配后的轴向间隙、滚珠丝杠副的轴向间隙等。多体动力学建模时，可将引起间隙的关键尺寸进行参数化，结合仿真性能结果，可对间隙进行设计。

b：开展滚珠丝杠副分析，滚珠丝杠副的传动性能直接影响伺服性能，工作时，丝杠旋转带动螺母作直线往复运动，从而带动与螺母相联的零部件作往复运动。滚珠丝杠副内部丝杠与螺母之间填满金属球，金属球通过返向器机构循环运动，金属球内部发生接触和碰撞，与反向器也发生接触和碰撞。滚珠丝杠副内部的接触、碰撞以及摩擦问题是滚珠丝杠副是动力学建模的难点。可采用在动力学仿真软件环境下定义滚珠丝杠副的接触碰撞模型，然后对模型进行动力学仿真分析，研究滚珠丝杠副间隙、预紧力、摩擦、碰撞等对伺服传动性能的影响。

c：开展传动非线性分析，齿轮和滚珠丝杠组合的基础机电产品组件存在传动间隙、摩擦、接触、变刚度等非线性环节。间隙非线性分析，由于滚珠丝杠螺母结构本身的游隙以及其轴向载荷后的弹性变形，滚珠丝杠机构存在轴向间隙，该轴向间隙在丝杠方向转动时表现为丝杠转动角；摩擦非线性分析，摩擦力矩对作动器的影响是双方面的，其不利影响主要是使系统产生跟踪误差和定值静态误差，且摩擦力矩过大会导致传动效率降低，但在系统稳定裕度不足的情况下，通过适当增加摩擦力矩则可以使系统具有良好的稳定裕度；刚度非线性分析，传动机构刚度会影响系统的截止频率、相角裕量、跟踪误差等，提高结构的刚度和阻尼系数可以提高系统的抗扰动特性及系统的固有振动频率，从而有效避免低频振动，改善稳定性。

三、环境适应性数字化验证建模流程与要求

环境适应性数字化验证技术(又称环境试验仿真验证技术，或虚拟环境仿真试验技术),是应用数字仿真技术,对装备在实际环境中产生的环境效应及其对装备性能的影响进行分析、评价和预测的技术。

环境适应性数字化验证建模流程包括力学环境(振动、冲击和加速度等)数字化验证建模流程及要求，热学环境(高温、低温、温度冲击和温度循环等)数字化验证建模流程及要求，自然环境(湿度、盐雾和霉菌等)数字化建模及要求。

①力学环境极限边界条件下数字化验证建模流程与要求

基础机电产品及其组件的力学环境极限条件数字化验证建模，需要联合基础机电产品及其组件参数化的三维建模软件和力学性能仿真分析软件，形成力学环境适应性数字化验证模型库，建模流程如图7所示。

a.构建基础机电产品及其组件的三维几何模型，根据产品的结构组成，进行网格划分，形成力学有限元分析模型，开展模态仿真分析，同时进行试验模态测试，将测试结果与仿真结果对比校核仿真模型的精度，形成力学性能数字化验证模型。其中，对比实物模态试验和模态仿真分析的各阶频率和振型，若两者模态频率相差小于±10％，则认为有限元仿真模型与实物模型一致，否则将要进行模型修正，对仿真模型的校正主要包括模型简化修正、静态参数校核、结构参数校核和动态参数校核。静态参数校核主要为材料的弹性模量和密度，结构参数校核主要是产品装配关系进行调整，动态参数校核包括网格和约束条件。

b.在模型验证准确的基础上，输入初始的边界条件，开展随机振动仿真分析，提出随机振动仿真的结果，包括加速度、应力、应变等力学响应参数，选取最大应力值与材料的许用应力值作对比，若没有超过许用应力值，增大输入边界条件值，重新计算；若超过许用应力值，减小输入边界条件值，直到找到临界点，输出临近点时的边界条件，即力学极限边界条件，包括振动、冲击和加速度极限边界值。

②热学极限边界条件数字化验证建模流程及要求

对待验产品的热学极限条件仿真分析，需要联合参数化的三维建模软件和热学仿真分析有限元软件，形成热学环境适应性数字化验证模型库，建模流程如图8所示。

a)构建热学仿真分析的三维模型，根据对象的结构组成，开展网格划分，形成热学有限元分析模型，开展温度分布仿真分析，同时进行热测量试验，即采取热源红外探测仪、贴片式温度传感器、电路内置热传感器等方式进行，用以修正热学仿真分析模型参数，获得更加精确的仿真结果。测量试验的结果最终作为评估热仿真试验模型有效度的重要标准。如果误差超过10％，则需要对模型进行进一步校正，校正方法主要有：静态参数校核、模型简化校核、动态参数校核。静态参数是所有材料的导热的衡量标准，在进行模型校核时，首先要检查静态参数是否正确，之后进行模型简化校核，防止块体重叠相交或误删重要部件；最后进行动态参数校核，由于动态参数没有一个完全理想的值，只能从反复的模型验证中获得一个相对优秀的动态参数。

b)在模型验证准确的基础上，输入初始的边界条件，开展热学应力仿真分析，提出热应力仿真的结果，选取最大应力值与材料的许用应力值作对比，若没有超过许用应力值，增大输入边界条件值，重新计算；若超过许用应力值，减小输入边界条件值，直到找到临界点，输出临近点时的边界条件，即热学极限边界条件，结束仿真。

③自然环境适应性数字化验证建模与要求

自然环境(湿度、盐雾和霉菌等)的数字化建模可采用计算流体动力学仿真软件进行数值模拟。该类商业软件包含了广泛的物理模型，能模拟工业应用中的流动、传热和反应，其网格具有完全的灵活性，能相对容易地对复杂几何生成非结构网格来求解流动问题，形成自然环境适应性数字化验证模型库，建模流程如图9所示。

a.根据装备的任务剖面,确定基础机电产品及其组件相应的环境剖面，通过连接环境数据库,寻找各环境剖面对应的自然环境和软件平台环境的主要环境参数。

b.根据装备的类型,连接装备环境数据库,查找相似装备在相似环境中的环境失效数据,确定装备环境失效的基本模式。数据库中没有合适的该装备环境失效模式数据的,应该根据经验,或参考其他相关的环境试验数据,分析可能产生的环境失效模式。如果通过这种分析不能确定该装备可能出现的环境失效模式,则应该考虑是否需要进行有关的环境试验,通过试验确定装备的主要环境失效模式。

c.根据装备的环境失效模式，继续连接装备环境数据库或文献资料,查找同类装备已有的环境失效模型。当没有合适的失效模型时,应该通过对已有数据的分析,通过对仿真建模技术的运用研究,建立相应的环境失效模型。

d.根据装备环境失效模型,选择适当的商业软件平台,进行仿真计算和界面图形演示的设计。如果没有现成的适当的软件平台,则通过研究建立适当的方法和开发平台,进行仿真验证。

四、寿命可靠性数字化验证建模流程与要求

基础机电产品的寿命可靠性数字化建模流程包括磨损寿命数字化验证建模流程、疲劳寿命数字化验证建模流程和可靠性数字化验证建模流程三部分内容。

(1)磨损寿命数字化验证建模流程与要求

开展基础机电产品及其组件的磨损仿真建模，形成磨损寿命数字化验证模型库，建模流程如图10所示。

a.在模型输入数据获取中，重点开展基础机电产品材料相关参数测试和磨损率的标准试验，从而获得材料磨损本构模型以及相关属性。

b.在磨损仿真中，重点关注基础机电产品的接触压力、相对转动速度、温度变化和其它因素，并通过二次程序开发计算基础机电产品应力条件下的磨损量，其中工况条件应考察最严酷使用条件，采用正交试验设计分析方法确定磨损量的主要影响因素，用仿真数据修正磨损模型。

c.以磨损失效阈值作为磨损寿命的判断标准，当运动副间隙超过磨损阈值，认为产品运动功能失效。将前期修正后的磨损数学模型在MATLAB循环迭代程序中进行递推运算，最终得出达到磨损失效阈值时的运行次数，经换算即可得到磨损寿命，最终得到寿命的关键影响因素排序以及为寿命试验验证提供方向性指导。

(2)疲劳寿命数字化验证建模流程与要求

名义应力法是一种传统的全寿命估算法，广泛应用于构件的高周疲劳分析。这种方法对裂纹的萌生和扩展不加以明确区别，能够预测到有较大的损伤或破坏为止的总寿命，名义应力法以材料的S-N曲线为基础，对照产品疲劳危险部位的应力集中系数和名义应力，结合疲劳损伤累积理论，对结构进行响应分析，得到外载荷作用下结构危险部位的响应，然后根据材料的疲劳性能曲线和疲劳累积损伤理论进行寿命估算，形成疲劳寿命数字化验证模型库，建模流程如图11所示。

a.建立有限元模型

由于有些基础机电产品的结构比较复杂，有限元建模难点在于建立高质量的有限元模型，因此在进行合理简化的前提下，依据基础机电产品的建模的常用方法，选择合理的有限元建模方法。

b.验证有限元模型

通常试验模型和有限元模型之间存在一定误差，需要对有限元模型进行模态分析，并与试验模态比较，对模型的材料参数及单元属性进行修改，以保证有限元模型的正确性。

c.确定载荷形式

随机振动是一种非确定性振动，幅值和频率都是随机变化的，它的特性只能用统计参数描述，因此随机振动是不能用时间确定性函数描述的一种振动现象。随机振动又分为平稳随机振动和非平稳随机振动。所谓平稳随机振动是指其统计特性不随时间而变化，非平稳随机振动则相反，统计特性随时间而变化。

d.随机振动分析

在利用试验模态分析验证并进行有限元模型修正后，加载功率谱密度进行随机振动分析，获得有限元模型的频率响应。根据位移、速度、加速度及应力等参数的频率响应分布，确定模型的薄弱环节，并提取危险部位的响应曲线。

e.S-N曲线的选取

通常标准试样的应力和疲劳寿命之间的关系都用材料的S-N曲线来表示，疲劳分析的关键是选取材料的S-N曲线，准确选取材料的S-N曲线可以大大提高疲劳分析精度。对于基础机电产品及其组件中薄弱环节，通过搜集和整理，需确定其典型S-N曲线，从而为后续寿命分析提供材料参数输入。

f.循环计数法的选取

由于随机载荷非常复杂，而且没有固定的变化周期，处理此类载荷就显得较为复杂，需要将随机载荷等效转换成变幅或者恒幅载荷谱，因此应选取一种数学统计方法对随机载荷谱进行重新编排。

目前，常用的计数方法有单参数和双参数两种，而双参数计数法由于能够记录应力(或载荷)循环的全部信息，通用性较好。双参数计数法中使用最多的是雨流计数法，因此本课题采用雨流计数法分析电子设备的随机振动疲劳寿命。

g.疲劳寿命分析

将有限元模型中的不同材料定义赋予不同的S-N曲线后，选择相应的循环统计方法，平均应力修正方法及疲劳累计损伤方法，最后可以对模型进行疲劳仿真分析，通过等效载荷作用时间或作用周次，可以计算出产品的疲劳损伤量。

(3)可靠性数字化验证建模流程与要求

在结构仿真、运动学仿真、动力学仿真和磨损仿真研究的基础上，注入各类影响产品性能与可靠性的扰动因素，开展基于性能故障判据的可靠性仿真分析。利用试验设计方法，确定仿真模型输入参数的抽样组合方式，得到性能与可靠性指标。基于性能结果数据与可靠性指标的相互关系，以关键性能参数为自变量，可靠性指标为因变量，构建关键性能参数与可靠性指标之间的响应面函数关系表达式，形成可靠性数字化验证模型库，建模流程如图12所示。主要包括：

1、基础机电产品多学科性能分析；

2、关键设计参数及其规律，以及关键设计参数的试验设计；

3、分析关键性能指标，得到故障判据和扰动因素；

4、基于性能故障判据的可靠性进行仿真分析；

5、建立性能与可靠性的函数关系表达式；

6、判断精度是否满足要求，若否，则执行上述步5；若是，则得到基础机电产品及其组件可靠性数字化验证模型。

在得到数字化验证模型之后，还需要结合数字化验证模型对基础机电产品进行数字化验证评价，具体地：

基础机电产品数字化验证评价在于充分利用数字化仿真数据，评价基础机电产品安装工艺性、功能性能、环境适应性和寿命可靠性的数字化验证数据，评价基础机电产品的应用验证水平，为产品改进设计，提高产品的应用水平提供支撑。基础机电产品的数字化验证评价主要包括以下步骤。

a.通过数字化验证模型，开展数字化仿真分析，获得基础机电产品的数字化数据结果，安装工艺性数据、功能性能数据、环境适应性数据和寿命可靠性数据等。

b.对数字化验证数据进行分析，基于数字化验证数据分析结果，给出安装工艺性数据、功能性能数据、环境适应性数据和寿命可靠性的一般要求，安装工艺性验证评价关注基础机电产品安装后的安装质量(包括几何模型的装配精度、零件之间的干涉关系等)；功能性能验证评价关注对基础机电产品的机械性能、电性能等进行仿真分析，并对数据进行分析和对比处理，对产品的功能性能进行评估，确定基础机电产品及其组件是否满足功能性能的要求；环境适应性验证评价关注对产品施加规定量级的环境试验条件，对比经过环境载荷施加前后产品相关性能参数的变化情况，确定基础机电产品及其组件是否满足环境适应性的要求；寿命可靠性验证评价关注对产品施加规定量级的载荷、运动谱等，基础机电产品及其组件的寿命、耐久性等可靠性参数，对组件的寿命可靠性进行评估，确定基础机电产品及其组件是否满足寿命可靠性要求。

c.评价数字化验证数据(安装工艺性、功能性能、环境适应性和寿命可靠性)后，可替代和补充部分试验验证，丰富和发展现有应用验证技术，提高应用验证效费比，加快应用验证。数字化验证作为应用验证试验的事前工作，确定试验应力条件，优化试验验证方案，提高试验验证的针对性和精准性；作为应用验证试验的事中工作，与应用验证试验同时进行，补充或替代部分试验工作；作为应用验证试验的事后工作，为试验验证结果提供失效分析数据支撑。

d.结合试验验证数据和数字化仿真验证数，给出基础机电产品数字化验证评价结论，给出基础机电产品数字化验证评价结论分为可用、不可用和有条件使用，并有条件应使用给出使用的边界条件。

接下来，结合具体示例对本发明实施例的技术方案进行如下详细描述。

典型基础机电产品的数字化试点验证，典型基础机电产品的数字化试点验证选择一种典型的冷挤压非铆型紧固件座圈产品开展，具体内容如下：

1)确定座圈产品的应用验证需求

基础机电产品及其组件由座圈产品和座圈安装版组成，通过应用验证需求调研分析发现，座圈产品及其组件在极限安装板条件的使用情况缺乏数据支撑，目前没有开展极限功能性能验证，即缺少极限状态安装后产品的拧脱力矩和推出力的数据支撑。通过对现有的应用验证试验数据分析发现，小规格的座圈产品(例如8-3.0座圈)可在最大夹层最小制孔安装板下使用，在标准规范内的其它安装状态下(例如最小夹层最大制孔、最小夹层最小制孔和最大夹层最大制孔)拧脱力矩不满足使用要求，存在使用风险，因此需要验证极限状态的下安装板厚度以及制孔大小的准确值，通过试验验证需要重新投入试验件、安装板、工装等，试验时间长，成本高，可采用数字化验证方法开展相关验证工作。形成数字化验证指标，即极限安装状态下拧脱力矩数字化仿真验证，通过通过开展极限条件下的仿真分析，得到极限状态下产品性能指标值和变化趋势。

2)构建座圈产品的数字化验证剖面

座圈产品的数字化验证剖面主要包括几何层、物理层、行为层和规则层四个方面开展，通过考核座圈产品在极限安装条件下的功能性能指标是否满足要求，从而得出极限安装状态下拧脱力矩符合要求时，安装板厚度和制孔值的准确值。

a.根据座圈产品的实际尺寸，建立三维几何模型，将座圈产品以数字化的形式呈现，如图13所示。

b.将座圈几何模型进行简化，网格划分，定义材料属性，完成座圈产品的有限元模型；

3)建立座圈产品的数字化验证模型

以座圈产品的数字化验证剖面和拧脱力矩仿真指标为输入，结合数字化验证模型构建的规范和要求，按照数字化建模流程，结合具体安装状态和使用工况，完成座圈产品的数字化验证模型构建；

4)开展座圈产品的数字化验证评价

结合验证模型和验证流程，通过对座圈产品开展数字化仿真分析，结合试验验证数据，给出座圈产品的数字化验证结论。

根据座圈产品的实际安装条件和要求，详见表1和表2，依据座圈产品的结构性能数字化建模流程，借助仿真软件，对座圈仿真模型进行拧脱力的仿真分析，当拧脱力矩达到一定值(拧脱力矩判据为大于18.1N.m)时座圈转动，此时座圈仿真模型失效，反力矩随时间的变化曲线如图14所示，仿真结果和试验结果如表3和表4所示。

表1座圈安装板条件

表2座圈安装板要求

表3座圈产品数字化仿真结果

表4座圈产品试验结果

通过以上数据可以看出座圈产品的数字化验证评价结论为有条件使用，同时，其它规格的座圈产品经过多次数字化仿真计算得出，座圈有条件使用的条件为座圈安装板的夹层厚度不能低于2.75mm，制孔大小不能大于10.35mm。

实施例二

参照图15，示出了本发明实施例提供的一种数字化验证模型的构建装置的结构示意图，如图15所示，该数字化验证模型的构建装置可以包括以下模块：

应用验证信息确定模块1501，用于根据产品研制信息和应用使用信息，确定基础机电产品的应用验证需求信息；

验证剖面信息构建模块1502，用于基于所述应用验证需求信息，构建得到所述基础机电产品在多个层面下的数字化验证剖面信息；

数字化验证模型构建模块1503，用于根据多个层面下的数字化验证剖面信息，构建得到基础机电产品的数字化验证模型。

可选地，所述应用验证信息确定模块1501包括：

安装需求识别单元，用于对从各个用户单位收集的安装工艺性要求进行分析汇总，并进行差异对比分析，识别出所述基础机电产品的安装需求信息；

功能性能需求识别单元，用于对从各个用户单位收集的功能性能要求进行分类汇总，并进行差异对比分析，识别出所述基础机电产品全部的功能性能需求信息；

环境因素识别单元，用于对从各个用户单位收集的工况环境要求信息进行分类汇总，并进行差异对比分析，识别出所述基础机电产品的环境因素；

寿命可靠性要求识别单元，用于对从各个用户单位收集的使用寿命可靠性要求信息进行分类汇总，并进行差异对比分析，识别出所述基础机电产品全部的寿命可靠性要求信息；

应用验证需求获取单元，用于将所述安装需求信息、所述功能性能需求信息、所述环境因素和所述寿命可靠性要求信息，作为所述基础机电产品的应用验证需求信息。

可选地，所述验证剖面信息构建模块1502包括：

验证剖面信息构建单元，用于基于所述应用验证需求信息，构建得到所述基础机电产品在几何层、物理层、行为层和规则层的四个层面下的数字化验证剖面信息。

可选地，所述数字化验证模型构建模块1503包括：

数字化验证模型构建单元，用于根据所述多个层面下的数字化验证剖面信息，构建得到所述基础机电产品在多种性能下的数字化验证模型；

所述多种性能包括：安装工艺性、功能性能、润滑性能、运动学性能和寿命可靠性。

可选地，所述装置还包括：

验证结果获取模块，用于基于所述数字化验证模型对目标基础机电产品进行数字化验证，得到验证结果；

工程要求条件确定模块，用于根据所述验证结果，确定所述目标基础机电产品是否满足工程要求条件。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种数字化验证模型的构建方法，其特征在于，包括：

根据产品研制信息和应用使用信息，确定基础机电产品的应用验证需求信息；

基于所述应用验证需求信息，构建得到所述基础机电产品在多个层面下的数字化验证剖面信息；

根据多个层面下的数字化验证剖面信息，构建得到基础机电产品的数字化验证模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据产品研制信息和应用使用信息，确定基础机电产品的应用验证需求信息，包括：

对从各个用户单位收集的安装工艺性要求进行分析汇总，并进行差异对比分析，识别出所述基础机电产品的安装需求信息；

对从各个用户单位收集的功能性能要求进行分类汇总，并进行差异对比分析，识别出所述基础机电产品全部的功能性能需求信息；

对从各个用户单位收集的工况环境要求信息进行分类汇总，并进行差异对比分析，识别出所述基础机电产品的环境因素；

对从各个用户单位收集的使用寿命可靠性要求信息进行分类汇总，并进行差异对比分析，识别出所述基础机电产品全部的寿命可靠性要求信息；

将所述安装需求信息、所述功能性能需求信息、所述环境因素和所述寿命可靠性要求信息，作为所述基础机电产品的应用验证需求信息。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述应用验证需求信息，构建得到所述基础机电产品在多个层面下的数字化验证剖面信息，包括：

基于所述应用验证需求信息，构建得到所述基础机电产品在几何层、物理层、行为层和规则层四个层面下的数字化验证剖面信息。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据多个层面下的数字化验证剖面信息，构建得到基础机电产品的数字化验证模型，包括：

根据所述多个层面下的数字化验证剖面信息，构建得到所述基础机电产品在多种性能下的数字化验证模型；

所述多种性能包括：安装工艺性、功能性能、润滑性能、运动学性能和寿命可靠性。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述根据多个层面下的数字化验证剖面信息，构建得到基础机电产品的数字化验证模型之后，还包括：

基于所述数字化验证模型对目标基础机电产品进行数字化验证，得到验证结果；

根据所述验证结果，确定所述目标基础机电产品是否满足工程要求条件。

6.一种数字化验证模型的构建装置，其特征在于，包括：

应用验证信息确定模块，用于根据产品研制信息和应用使用信息，确定基础机电产品的应用验证需求信息；

验证剖面信息构建模块，用于基于所述应用验证需求信息，构建得到所述基础机电产品在多个层面下的数字化验证剖面信息；

数字化验证模型构建模块，用于根据多个层面下的数字化验证剖面信息，构建得到基础机电产品的数字化验证模型。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述应用验证信息确定模块包括：

安装需求识别单元，用于对从各个用户单位收集的安装工艺性要求进行分析汇总，并进行差异对比分析，识别出所述基础机电产品的安装需求信息；

功能性能需求识别单元，用于对从各个用户单位收集的功能性能要求进行分类汇总，并进行差异对比分析，识别出所述基础机电产品全部的功能性能需求信息；

环境因素识别单元，用于对从各个用户单位收集的工况环境要求信息进行分类汇总，并进行差异对比分析，识别出所述基础机电产品的环境因素；

寿命可靠性要求识别单元，用于对从各个用户单位收集的使用寿命可靠性要求信息进行分类汇总，并进行差异对比分析，识别出所述基础机电产品全部的寿命可靠性要求信息；

应用验证需求获取单元，用于将所述安装需求信息、所述功能性能需求信息、所述环境因素和所述寿命可靠性要求信息，作为所述基础机电产品的应用验证需求信息。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述验证剖面信息构建模块包括：

验证剖面信息构建单元，用于基于所述应用验证需求信息，构建得到所述基础机电产品在几何层、物理层、行为层和规则层四个层面下的数字化验证剖面信息。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述数字化验证模型构建模块包括：

数字化验证模型构建单元，用于根据所述多个层面下的数字化验证剖面信息，构建得到所述基础机电产品在多种性能下的数字化验证模型；

所述多种性能包括：安装工艺性、功能性能、润滑性能、运动学性能和寿命可靠性。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

验证结果获取模块，用于基于所述数字化验证模型对目标基础机电产品进行数字化验证，得到验证结果；

工程要求条件确定模块，用于根据所述验证结果，确定所述目标基础机电产品是否满足工程要求条件。

Images