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数字孪生体是指与现实世界中的物理实体完全对应和一致的虚拟模型

2022-07-16 09:03:27

2 产品数字孪生的内涵

数字孪生的起源和目前的发展来看,其应用主要集中在产品设计和运维阶段的数字孪生领域。技术的快速普及和应用,以及当前各国先进制造战略,如德国工业4.0、美国工业互联网战略和中国制造2025等,数字化twin 已经超越了其传统的产品设计和运维阶段的数字孪生的范畴。为了便于理解孪生,本文给出了数字孪生、数字孪生、数字孪生模型和产品数字孪生的定义。

数字孪生是指利用数字技术对物理对象的特征、行为、形成过程和性能进行描述和建模的过程和方法,也称为数字孪生技术。数字孪生是指与现实世界中的物理实体完全对应和符合的虚拟模型,可以实时模拟其在现实环境中的行为和表现,也称为数字孪生。可以说,数字孪生是技术、过程和方法,而数字孪生是对象、模型和数据。数字孪生技术不仅利用人类现有的理论和知识构建虚拟模型,还利用虚拟模型的仿真技术探索和预测未知世界,发现和寻找更好的方法和途径,并不断激发人类的创新思维和不断发展。追求优化和进步,因此,数字孪生技术为当前制造业的创新发展提供了新的思路和工具。

未来,在虚拟空间中会有与物理空间中的实体一模一样的数字孪生。例如,实体工厂在虚拟空间中具有对应的工厂数字孪生体,实体车间在虚拟空间中具有对应的车间数字孪生体。,物理生产线在虚拟空间中有对应的生产线数字孪生等。

作为产品开发过程中数字孪生技术最重要的应用,产品数字孪生还处于探索阶段,研究成果相对较少,缺乏系统性。本文总结了国内外关于产品数字孪生的相关研究成果,并结合多年的研究基础,提出了产品数字孪生的内涵体系框架,如图3所示。

图3 产品数字孪生的内涵体系框架

(1)产品数字孪生的定义

综合考虑现有产品数字孪生的演化过程及相关解释,作者给出了产品数字孪生的定义:产品数字孪生是指对产品的物理实体的工作状态和工作进度进行全要素重构和数字化。信息空间中的产品映射是一个集成的多物理场、多尺度、超现实、动态概率仿真模型,可用于模拟、监控、诊断、预测和控制产品物理场的形成过程、状态和行为。真实环境中的实体。产品数字孪生是基于产品设计阶段产生的产品模型,以及后续的产品制造和产品服务阶段,通过与产品物理实体的数据和信息交互,不断提高自身的完整性和准确性,最终完成产品。对物理实体的完整而准确的描述。也有学者将数字孪生翻译成数字镜像、数字映射、数字孪生、数字孪生等。

从产品数字孪生的定义可以看出:1)产品数字孪生是产品物理实体集成在信息空间中的仿真模型,是产品物理实体全生命周期的数字档案,实现了产品物理实体的全生命周期数字化档案。产品全生命周期数据和全价值链数据统一集成管理;2)产品数字孪生是通过与产品的物理实体不断进行数据和信息交互来改进的;3)产品数字孪生的最终表现形式是对物理实体的完整准确的数字化描述产品的;4)产品的数字孪生可用于模拟、监控、诊断、

产品数字孪生远远超出了数字原型(或虚拟原型)和数字产品定义的范围。产品数字孪生不仅包含对产品几何形状、功能和性能的描述,还包括产品制造或维护过程的其他全生命周期方面。描述循环中的形成过程和状态。数字样机又称虚拟样机,是指对机械产品的整机或具有独立功能的子系统进行数字化描述,既反映了产品对象的几何特性,又反映了产品的功能和功能。至少在某个领域的产品对象。表现。数字样机在产品设计阶段形成,可应用于产品的全生命周期,包括工程设计、制造、组装、检验、销售、使用、售后、回收等环节。数字产品的定义是指对机械产品的功能、性能和物理特性进行数字化描述的活动。从数字样机(或虚拟样机)的内涵和数字化产品定义来看,主要侧重于产品设计阶段对产品几何形状、功能和性能的描述,不涉及成型过程等全生命周期阶段。产品制造或维修过程。状态描述。机械产品的性能和物理特性。从数字样机(或虚拟样机)的内涵和数字化产品定义来看,主要侧重于产品设计阶段对产品几何形状、功能和性能的描述,不涉及成型过程等全生命周期阶段。产品制造或维修过程。状态描述。机械产品的性能和物理特性。从数字样机(或虚拟样机)的内涵和数字化产品定义来看,主要侧重于产品设计阶段对产品几何形状、功能和性能的描述,不涉及成型过程等全生命周期阶段。产品制造或维修过程。状态描述。

(2)产品数字孪生的基本特征

产品数字孪生具有许多特性,包括:虚拟性、唯一性、多物理性、多尺度、层次性、集成性、动态性、超现实性、可计算性、概率性和多学科性。

1)虚拟性:产品数字孪生是物理产品在信息空间的数字映射模型。它是一个虚拟模型,属于信息空间(或虚拟空间),而不是物理空间。

2)唯一性:一种物理产品对应一种产品数字孪生。

3)多物理:产品的数字孪生是基于物理特性的物理产品的数字映射模型。它不仅需要描述实物产品的几何特征(如形状、尺寸、公差等),还需要描述实物产品的各种类型。物理特性,包括结构动力学模型、热力学模型、应力分析模型、疲劳损伤模型,以及产品部件的刚度、强度、硬度、疲劳强度等材料特性。

4)多尺度:产品数字孪生不仅描述了物理产品的宏观特性,如几何尺寸数字孪生的发展趋势,还描述了物理产品的微观特性,如材料的微观结构、表面粗糙度、等等

5)分层:构成最终产品的不同组件、组件、零件等可以有其对应的数字孪生。例如,飞机数字孪生包括机架数字孪生、飞控系统数字孪生、推进控制系统数字孪生等,有利于产品数据和产品模型的分级精细化管理,以及产品逐步实现。数字双胞胎。

6)集成:产品数字孪生是各种物理结构模型、几何模型、材料模型等多尺度、多层次的集成模型,有利于结构和力学性能的快速模拟对产品进行整体分析。

7)动态(或程序化):产品的数字孪生将在整个生命周期的各个阶段通过与产品实体的不断交互来不断变化和改进,例如:产品制造阶段收集的产品制造数据(如检测数据、进度数据)将反映在虚拟空间的数字孪生体中,基于数字孪生体可以实现对产品制造状态和过程的实时、动态、可视化监控。

8)超写实:产品的数字孪生在外观、内容、属性等方面与实物基本一致,保真度高,能准确反映实物产品的真实状态。

9)可计算性:基于产品数字孪生体,通过仿真、计算和分析,可以实时模拟和反映相应物理产品的状态和行为。

10)概率:产品数字孪生允许以概率和统计方式进行计算和模拟。

11)多学科:产品数字孪生涉及计算科学、信息科学、机械工程、电子科学、物理学等多学科交叉融合,具有多学科性。

(3)产品数字孪生是整个产品生命周期和价值链的数据中心

产品数字孪生以产品为载体,涉及产品的整个生命周期,从概念设计到详细设计、工艺设计、制造,以及后续的使用、维护和报废/回收。一方面,产品数字孪生是整个产品生命周期的数据中心,其本质改进是实现单一数据源和全生命周期各阶段的信息连接;另一方面,产品数字孪生也是整个价值链的数据。该中心的精髓在于无缝协作,而不仅仅是共享信息。这是整个价值链的协作。如不同地方、不同地区、不同时区厂商的协同设计开发,与上下游的模拟组装,

(4)产品数字孪生是产品生命周期管理的延伸和延伸

产品生命周期管理PLM强调通过产品物料清单(包括设计BOM、工艺BOM、制造BOM、销售BOM等,以及它们之间的关系)对产品生命周期数据进行管理。产品数字孪生不仅通过单一的产品模型强调产品生命周期各个阶段的信息,从而为产品开发、产品制造、产品使用和维护、工程变更和协同制造商提供单一的数据源。此外数字孪生的发展趋势,产品数字孪生将产品制造数据和产品服务数据与产品模型关联起来,使企业不仅可以更高效地利用产品数据优化和改进产品设计,还可以利用产品数字孪生对产品进行预测和控制。

(5)产品数字孪生是面向制造和装配的产品设计模式的演进和延伸

传统的面向制造和装配的设计模式(for and, DFM&A),通过设计与工艺的融合,将制造过程的各种要求和约束,包括加工能力、经济精度、工艺能力等融入到设计中。过程。在设计建模过程中,采用有效的建模和分析方法,保证了设计结果的方便性和经济性。产品数字孪生还支持在产品设计阶段通过建模、仿真和优化对产品的可制造性进行分析,也支持产品性能和产品功能的测试验证,通过产品历史数据和产品的实际制造数据。

(6)产品数字孪生是下一波产品建模、仿真和优化技术

在过去的几十年中,仿真技术仅限于工程师用来解决特定设计和工程问题的计算机工具。美国已将基于建模和仿真的设计工具列为“2010 年及以后的美国国防制造”计划中的四大优先能力之一。近年来,随着基于模型的系统工程(Model-based,MBSE)的出现和发展,产品建模与仿真技术得到了新的发展。其核心理念是“通过模拟进行通信”。将其视为产品开发部门的工具。随着产品数字孪生的出现和发展,仿真技术将作为核心产品/系统功能应用到后续的生命周期阶段(如实物产品之前的交付、模拟驱动的辅助产品使用支持等)。产品数字双胞胎将促进建模、仿真和优化技术无缝集成到产品生命周期的所有阶段(例如,通过与产品使用数据直接关联来支持产品使用和服务),将促进产品建模、仿真的进一步发展和优化技术。

(7)产品数字孪生强调虚实相控,虚实融合

产品数字孪生的基本功能是反映/镜像对应产品实体的真实状态和真实行为,从而实现虚与实的融合,虚实相控。一方面,数字孪生根据从物理空间传来的数据进行自身的数据改进、融合和模型构建;另一方面,通过对这些数据的显示、统计、分析和处理,实现对实物及其周边环境的实时监控。.

值得指出的是,虚实的深度融合是实现虚实控制的前提。产品实体的生产是基于虚拟空间中产品模型的定义,在虚拟空间中产品模型的不断演化和决策的生成是基于在虚拟空间中采集和传输的数据进行的。物理空间。