发射车建模与仿真的VV&A应用探索

张 生，吴 艳，王 忠

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

发射车建模与仿真的VV&A应用探索

张 生，吴 艳，王 忠

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

发射车建模与仿真的校核、验证和确认（Verification Validation and Accreditation，VV&A）是建模与仿真过程中保证模型可信度的重要环节，简要论述国内外VV&A的基本概念、研究与应用现状和应用方法。介绍发射车仿真及VV&A应用现状，提出发射车建模与仿真中VV&A的应用方法以及发射车建模与仿真的VV&A应用发展途径。

发射车；建模与仿真；校核、验证和确认

0 引 言

发射车仿真应用的日益成熟，对发射车的研发技术和产品质量提高起到了较大的推进作用。以往，发射车建模与仿真的校核、验证和确认（Verification Validation and Accreditation，VV&A）受研制工作进度等多种因素的影响，只有部分被应用，没有形成建模与仿真的必经流程节点和规范。随着产品研发对仿真技术的高可信、高效率的要求，需要对建模与仿真的VV&A开展规范化建设和实施应用。

1 VV&A应用综述

1.1 VV&A概要

随着建模与仿真的复杂程度越来越高，仿真可信度问题越来越重要，仿真缺乏验证就没有意义，没有可信性评估的仿真也不可靠。

国内外经过多年的研究和发展逐步形成了完善的VV&A理论和实施方法，它包括一系列原则、规范和技术，并贯穿于建模与仿真的整个过程中。从VV&A的标准和规范可以看出， VV&A工作过程始终围绕建模与仿真的目标进行，VV&A工作的核心是通过规范建模与仿真的过程来保证和提高仿真系统的可信度[1]。

VV&A的定义在国外和国内都有细微的差异，但其本质意义相同，根据IEEE的定义如下：

a）校核（Verification）：确定模型是否准确地代表开发者概念描述的过程。

b）验证（Validation）：从预期目的出发确定建模与仿真对真实世界的模拟精确程度的过程。

c）确认（Accreditation）：在校核、验证完成后对仿真工作进行的验收。

校核是解决“仿真系统是否正确”的问题；验证是解决“仿真结果是否正确”的问题；确认是在校核、验证的基础上，由验收方对仿真系统的可接受程序进行评定的过程。

1.2 VV&A的研究与应用现状

1.2.1 国外研究与应用现状

VV&A的概念起源于20世纪60年代的美国，在20世纪七八十年代逐渐研究形成了建模与仿真的可信度和VV&A相关的概念、术语和规范，70年代中期成立的“模型可信度技术委员会”，标志着VV&A这门复杂技术学科的组织建立。在20世纪90年代多国政府和仿真相关的学术机构都成立了相应的组织，并制定建模与仿真的VV&A规范和标准。1996年，美国国防部完成VV&A建议规范并推动了VV&A向标准化迈进的步伐，于2000年完成了VV&A建议规范的第2版。1997年 IEEE通过了关于分布交互仿真的标准IEEE1278.4，这是关于大型复杂仿真系统VV&A的一个较全面的指南，美国国防部建模与仿真办公室的VV&A建议指南规范列举了可用于仿真系统校核与验证的76种软件测试和系统评估方法及18种统计技术，对建模与仿真进行严格、有效的校核与验证。美国在VV&A研究方面的组织机构不但有VV&A的权威机构，还有来自各个领域的代表，如VV&A技术工作组和Tiger Team等，这些组织的积极参加促使VV&A技术快速发展。现在在仿真应用的前沿行业如生物运动医学[2]等都在积极实施建模与仿真的VV&A。

加拿大、欧盟、北约都在积极进行VV&A的研究并不断取得新的成果，建立VV&A相关的组织、标准规范并应用于产品的仿真，欧盟已经建立标准把产品破坏性工况（如火车出轨）的仿真方式作为一个产品验收的依据。

1.2.2 中国研究与应用现状

中国在建模与仿真的VV&A应用方面的研究起步较晚，1995年后，随着仿真在各个领域的应用，建模与仿真的可信度问题引起了更多的关注，很多学者也投入到建模与仿真的VV&A应用研究中，跟踪并追赶国外建模与仿真的VV&A发展，并成功运用于工程实践中。相对而言，国防科技大学、北京航空航天大学、北京理工大学、哈尓滨工业大学等相关院校在这方面取得了更多的研究成果。

近年，中国在VV&A的研究从原来的关注模型修正、可信度的评估发展到全寿命周期的VV&A。在模型修正和可信度评估方面，提出了层次分析法[3]、模糊综合评判法[4]、灰色类聚法[5]、相似度法[6]等方法。在VV&A理论和技术方面，研究了作战模拟系统和武器系统仿真中的 VV&A[7]方法，提出仿真数据的有效性分析方法[8]，对虚拟样机的VV&A也提出了观点和看法[9]。

1.3 VV&A应用方法

仿真系统VV&A的原则[10]有：相对正确原则、全生命周期原则、有限目标原则、必要不充分原则、全局性原则、程度性原则、创造性原则、良好计划和记录原则、分析性原则及数据正确性原则。VV&A是一个迭代过程，其主要应用内容包括：需求校核、制订VV&A计划、概念模型验证、设计校核、实现校核、仿真结果验证及仿真系统确认。

VV&A 3个环节工作内容如表1所示。

表1 VV&A 3个环节的主要工作内容

VV&A的技术如表2所示。

表2 VV&A技术方法[11]

仿真系统VV&A标准或规范分类如表3所示。

表3 VV&A标准或规范分类[11]

2 VV&A应用现状

2.1 发射车仿真应用情况

近十几年来，发射车仿真技术的应用得到了迅速的发展，仿真技术应用到产品生命周期的所有过程中。应用仿真技术开展了整车的平顺性及安全性等关键性能指标的优化、大型车架结构件的静动态特性分析与优化、车辆安全性控制等工作，实现了基于刚柔多体的运动学和动力学整车、系统级特性分析与评价，同时开展了机电液联合仿真的疲劳寿命分析，实现了多学科仿真优化。

在发射车研发过程中引入全数字化设计手段，通过基于生命周期的UG NX和Teamcenter研发平台集成 NX NASTRAN结构分析软件、LMS Virtual Lab Motion动力学分析软件、液压控制软件AMESim等，实现了数字化的产品研发流程与精细化仿真应用的相结合，提升了协同仿真的工程应用水平，实现了产品研发的高效率和集成创新能力。

在仿真应用过程中同步开展标准规范体系建设，建立如下发射车仿真的相关规范：a）车架有限元计算规范；b）自行式发射车车架设计计算规范；c）发射车用半挂车架设计计算规范；d）发射车车架结构刚度强度试验规范；e）仿真计算报告编写规范；f）特种车底盘动力学建模与仿真规范。

2.2 发射车建模与仿真的VV&A应用现状

“十一五”期间，结合国防基础科研项目进行发射车建模与仿真，开展了VV&A技术的应用研究，完成了发射车建模与仿真的有效性评估工作[12]。在“十二五”期间，从校核过程表格化管理、模型验证策略与指标、VV&A过程规范化等方面继续开展研究工作，并通过承载结构模态试验、发射车机动运输试验等实物试验对模型有效性进行了验证和评估。

但是在发射车产品的建模与仿真过程中并没有执行正规的VV&A，也没有建立相关的组织和规范。在仿真时仅仅对模型的真实有效性采用范例进行验证，用理论结果或静态结果对仿真模型进行调校，仿真结果与试验结果进行对比的工作较为简单。VV&A的技术和管理方法还没有在实践中得到推广应用。

3 发射车建模与仿真的VV&A应用方法

3.1 VV&A应用模式

根据VV&A理论和方法结合发射车研发及仿真的现状，在VV&A应用和实施时需要建立人员组织层次、确定仿真项目的VV&A应用范围和流程、制定VV&A的内容及时间计划、拟定VV&A需要的工具及输入、输出文档。

VV&A的人员组成包括实施人员、管理组、专家。实施人员由建模与仿真的一线人员、试验人员、过程记录人员组成；管理组由建模与仿真校审人员、仿真主师、项目领导组成；专家人员由仿真专业资深专家和项目总师组成。

根据发射车研发及仿真应用的工程实践，发射车建模与仿真的VV&A应用一般是针对系统级的相对复杂的仿真项目，如安全仿真、CFD仿真、NVH仿真，子系统如动力传动系统、制动系统、发动机舱热管理等。对相对简单的仿真项目如结构刚强度分析，则根据工程经验和简化的有效的校核与验证过程对建模与仿真实施可信度评估。

3.2 VV&A应用流程

基于发射车建模与仿真的特点，从工程化角度建立发射车建模与仿真的VV&A流程。根据目前的仿真技术基础和仿真发展要求，从发射车VV&A过程特点制定各阶段的技术方法及应用范围。图1中的流程以发射车动力学建模与仿真为例，实现建模与仿真及其VV&A流程的协同实施。

图1 发射车建模与仿真的VV&A流程

3.3 VV&A应用内容及方法

3.3.1 校核内容及方法

仿真校核的应用方法包括非正规方法、静态分析，其他方法如动态测试、符号分析、约束分析、理论证明等应用需要建立相应的VV&A工具，根据项目的时间、人力和经费允许的情况下优选实施。

不同仿真类型的具体实施内容有所差异，如发射车平顺性动力学仿真校核内容应包括：

a）三维实体模型的校核：校对结构体的质量参数和空间位置参数；

b）元器件质量参数校核：核对发动机、变速箱、分动器、上装的质量和位置参数；

c）柔性体的校核：网格质量、模态阶数、接口位置、材料参数；

d）悬架液压系统模型校核：功能元器件核对、系统初始油压和气压核对、重要性能参数核对；

e）悬置环节校核：核对驾驶室悬置、发动机悬置、变速箱悬置的弹性参数和阻尼参数；

f）子模型校核：需要对子模型的轮胎、转向节、摆臂、油气弹簧进行运动学检查、参数校对；

g）运动副建模校核：校对约束自由度是否正确、核实关键点和实体是否正确连接；

h）多体液压联合仿真接口校核：检查接口参数传递节点定位和接口定义选项的正确性；

i）输入激励校核：检查数据来源，核实数据处理方法和过程；

j）动力学模型的校核：检查模型的拓扑结构、模型的简化、模型各个部分之间的连接、试验工况的设置、各个测量点的设置是否正确，最后对初步仿真运行结果进行判断，得出仿真结果是否与预期吻合；

k）专家评估方法：请仿真专家和产品、测试人员通过观察模型运行来判断仿真是否符合实际，得出仿真系统及模型是否可信的结论。

3.3.2 验证内容及方法

对发射车动力学仿真系统，难以从理论上验证模型的正确性和可信度，验证仿真模型和仿真结果的正确性方法是与实际试验测试数据进行比较实现。常用验证方法有判断比较法、数理统计法、频谱分析法、动态关联分析法、灵敏度分析法、时间序列法，根据实际情况发射车建模与仿真的验证主要以判断比较方式进行。

根据发射车试验测试内容，对发射车平顺性仿真的验证主要有以下3个方面：

a）油气弹簧的传力验证：油气弹簧是发射车辆最关键的载荷传递路径和减振环节，因此从仿真结果中提取出油气弹簧的力，与试验测试的力进行比较，要求曲线趋势一致，峰值基本一致，这样才能保证整车仿真结果正确可信；

b）关键点振动特性验证：针对发射车辆最关注的乘员或设备比较振动加速度仿真结果与试验测试结果，如果曲线趋势和峰值一致，则认为通过仿真验证；

c）关键结构应力验证：对柔性体结构点的动应力仿真结果与试验测试结果进行比较，判断趋势和峰值的一致性。

3.3.3 确认内容及方法

确认内容对所有仿真项目通用，根据建模仿真报告、校核报告、验证报告总结成确认报告，最后由专家小组根据报告内容进行综合评价，确定仿真的可信度并得出是否确认的结论，或指出改进意见重新进行建模与仿真和VV&A过程。

4 发射车建模与仿真的VV&A应用发展途径

4.1 VV&A的建设要素

针对发射车产品全生命周期的仿真应用，从提高仿真的可信度出发，遵从研发模式的发展趋势，制订相应的VV&A应用和努力方向。在发射车生存能力仿真和虚拟现实系统中，发射车建模与仿真的VV&A需要采取更多的先进方法和工具、制定规范和流程，让仿真可信度和VV&A的评估由定性向量化转变。

VV&A应用的要素如下：

a）管理：提高对VV&A的认知度，使之成为项目管理的必须要求，对VV&A成本预算有合理依据和充分支持，保证VV&A工作的各要素顺畅运行，保证VV&A信息资源共享和重用；

b）人力建设：培养和培训VV&A团队，将VV&A的知识普及到系统管理人员、设计人员、开发人员、仿真人员和用户，以保证所有参与人员紧密协作、互相理解支持；

c）基础建设：进行 VV&A支撑系统建设，开发及运行过程中的监控、测试、分析、评估工具，精细实施 VV&A指标的定义、计算和获取，形成权威的VV&A及仿真、试验数据和文档；

d）参数化建模：这对模型的调试、校核至关重要，更有利于模型的自动化校核和验证；

e）校核：开发和制订工具软件和定制校核流程，使校核过程的自动化和通用化程度提高，在量化的同时提高校核的标准和可信度；f）验证：采用直观判断、比较方法以外的其他理论工具方法进行验证，提高自动化程度，实现量化指标，同时实现模型修正的自动化；

g）确认：实现报告文档的自动化，对判断进行量化分析，实现客观与主观相结合的判断方式。

4.2 VV&A应用提高的措施对发射车建模与仿真的VV&A应用提高措施如下：

a）从管理层面和仿真人员强化 VV&A的价值意识和时效观念；

b）培养仿真和专家人才，建立VV&A专业能力；

c）加强仿真应用程序和工具软件的质量评估；

d）加强建模和仿真过程的校验；

e）强化VV&A的独立性；

f）逐步建立VV&A的标准规范，提高VV&A的工作效率和应用实施的一致性；

g）加强VV&A工具软件的投入；

h）针对重要仿真项目建立VV&A的固化流程。

5 结束语

发射车建模与仿真的VV&A应用是仿真技术有效应用于产品生命周期过程的必要步骤，将VV&A的内容及相关标准规范纳入仿真流程中并踏实执行是提高仿真可信度的根本。发射车建模与仿真的VV&A应用虽然存在经济和人力投入多、组织构建复杂和实施过程繁琐等与过去仿真应用习惯及管理方式不适应的问题，但是从国内外的应用发展趋势上看我们亟待加速赶上，克服初始的困难阶段后必将迎来仿真应用的高可信、高效率阶段。

VV&A应用的发展趋势是减少各环节的人工工作以避免差错和非一致性，向校验工具集成、文档自动生成和评价指标量化的方向发展，进一步向VV&A应用的智能化发展。

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Prospect of VV&A Application in the Modeling and Simulation of Launch Vehicle

Zhang Sheng, Wu Yan, Wang Zhong
（Beijing Institute of Launch Technology, Beijing, 100076）

Verification Validation and Accreditation are very important activities to ensure the credibility of the model in the process of modeling and simulation, the widely accepted concept of VV&A is introduced, the research and application level in China and abroad are also discussed in the paper. The application status of VV&A in the modeling and simulation of launch vehicle is presented，the methods to improve application level and the strategy for development of VV&A in the modeling and simulation of launch vehicle are suggested.

Launch vehicle; Verification Validation and Accreditation; Modeling and simulation

V553.1

A

1004-7182(2017)01-0075-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20170118

2016-07-12；

2016-09-19

张 生（1965-），男，主任设计师，主要研究方向为结构分析和特种车动力学仿真分析