仿真与试验的爱恨情仇-仿真与试验对不上怎么办

仿真与试验的交锋
 

     仿真与试验贯穿于产品设计开发的各个阶段，是验证及校核的两个重要手段。两种方法验证时，不可避免的会出现结果的偏差，这样就会使两个部门立于比较尴尬的处境，上级压力一下来，两个部门公说公有理，婆说婆有理：试验方面吐槽仿真不准，自己试验按标准和规范来的；仿真方面也会反驳说自己按合理的边界条件加载，试验是不是和实际样件运行工况不一致，然后就是漫长的"Battle"。那么遇到这种情况怎么处理呢，怎样才能合理的处理问题并解决问题呢？

图1.仿真与试验

仿真和试验的定义  

      首先要清楚仿真和试验的具体内容：

      仿真：仿真 主要通过计算机软件，通过进行模型简化，基于相应的理论模型来模拟结构或物体在不同环境下的物理、化学等变化；

      试验：试验是基于真实的物理样件通过实际操作和测试获得相应的结构参数及相应性能，从而校核设计的强度、可靠性等。

      仿真和试验的优缺点在这里不再多说，通过以上的内容很多人就认为试验就是复现真实样件工作，而仿真则是通过计算机模拟现实。那这种想法对不对呢？为了验证这个想法，我们将详细的分析影响试验或仿真的因素。

影响仿真和试验精度的因素  

      前面说明了有人认为试验=真实，仿真模拟真实，但实际上这两种方法都存在一定的误差：

试验误差：首先不管是零件级还是系统级的试验，由于材料、处理工艺、装配工艺、公差等因素的影响，即使同一批次的样件，都存在一定的差异性；其次测试传感器也存在一定的误差。其他的包括台架试验或其他试验中样件的固定方式与真实样件的约束边界也存在差异性。以上的误差就会导致试验得到的结果与样机真实工作的结果也会存在多少的差异。

仿真误差：以有限元为例，分析过程中包括模型简化、网格划分、材料属性赋予、求解分析，这些过程都多少存在与真实结构的差异，举个例子比如在分析塑性材料时，由于难以获得或者不容易屈服阶段后面的数据，因此对材料特性曲线进行拟合简化，如图3。仿真，突出一个"仿"，主要还是在特定的工况或边界下，通过一定的简化，在满足要求的精度误差下去贴近实际，与实际相比，必然会产生一定的误差。

图2.仿真与试验过程中的精度影响因素

图3.材料拉伸特性曲线

      除此之外如何评价仿真与试验之间的差别呢？一般有两种方法：第一就是相对误差的百分比，第二就是绝对差值。举一个例子说明：要求测板簧的刚度和某位置的应变，测量位置和测量结果如下：

图4.板簧仿真、试验

表1.仿真与试验结果对比

      通过上表(只是举例说明，表中数据不一定合理)可以看到，不同的考核点有同样的差值，但是相对误差却差很大。所以不同的关注考核点及评价标准下，所得出的结论有可能也是不相同的。

      因此通过以上分析，仿真与试验对不上可能是物理样件的批次问题、设备夹持工装问题、检测误差问题、仿真边界及模型简化问题、评价标准问题等等。当遇上"对不上"的问题时，首先要想的是要一起坐下来讨论、研究去解决问题，而不是互相推诿。

仿真不准？  

      仿真目前是产品开发的一个快速、低成本且有效的手段，也是产品验证的重要一环。但是还是有很多人对仿真抱有一定的成见，质疑结果的准确性，或者仅仅把仿真当成产品设计过程中的一个"计算器"或"避雷针"。换个思路，在设计分析时一般都用先用理论公式、经验公式去设计、校核，但计算结果与实际应用结果也会存在一定的误差。可是为什么还会去用呢？因为这些公式对设计会提供一些方向性、定性的或者定量的指导，避免出现低级错误。

      而仿真实质上也是数值计算，而且比理论公式得到的结果更全面系统。因此，个人认为，在一定误差范围内，能定量的校核或预测结构；或者在一些问题上能定性的指导、预测、推动产品的优化，那么仿真就是准的。(当然作为仿真工程师需要能够正确的、多维度的评估自己仿真结果的合理性)

遇到不一致怎么做？
 

       以疲劳耐久仿真为例，通过疲劳仿真分析得到的失效位置或者寿命与台架试验存在较大差异时，如果分析原因？

图5.双叉臂悬架

      在分析时，要从产生误差的各个方面出发，系统的排查：检查有限元模型及计算的设置、检查试验和仿真边界加载的一致性、进行相关的材料试验、检查零部件加工的工艺等，一步步排查，最终减小试验与仿真的误差。

     最后，仿真与试验都是为了产品的顺利开发，目的存在着一致性，因此遇到较大差异时，冷静对待、精诚合作，一起攻克、解决问题。

(以上内容纯属个人观点😊