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1、数字孪生的发展与应用论述-正文内容开始- 数字孪生的发展与应用 PAGE PAGE 4 目 录 TOC o 1-2 u 一、数字孪生的发展 2 二、数字孪生的定义 2 三、数字孪生标准体系框架 4 3.1数字孪生基础共性标准 5 3.2数字孪生关键技术标准 6 3.3数字孪生工具/平台标准 6 3.4数字孪生测评标准 7 3.5数字孪生安全标准 7 四、数字孪生五维模型 8 五、多行业、多领域应用 9 六、数字孪生航空航天领域应用 11 6.1数字孪生卫星/空间通信网络 11 6.2航天飞行器数字孪生技术及仿真平台 12 6.3航空发动机低压涡轮单元体对接术 13 6.4航空发动机全生命周期管
2、理 16 6.5航天器系统工程模型与实现 18 6.6单机质量监控技术研究 20 6.7火箭起飞安全系统设计 21 6.8航空发动机运行维护中的应用 24 6.9数字孪生驱动的固体发动机总体设计体系架构与应用 25 6.10航空发动机智能生产线中的应用 27 七、数字孪生的趋势 30 一、数字孪生的发展 数字孪生的概念最初于2022年由Grieves教授在美国密歇根大学产品生命周期管理课程上提出,早期主要被应用在军工及航空航天领域.如美国空军研究实验室、美国国家航空航天局(NASA)基于数字孪生开展了飞行器健康管控应用, 美国洛克希德马丁公司将数字孪生引入到FG35战斗机生产过程中,用于改进工
3、艺流程,提高生产效率与质量。由于数字孪生具备虚实融合与实时交互、迭代运行与优化、以及全要素/全流程/全业务数据驱动等特点,目前已被应用到产品生命周期各个阶段,包括产品设计、 制造、服务与运维等。 随着美国工业互联网、德国工业4.0、及中国制造2025等国家层面制造发展战略的提出,智能制造已成为全球制造业发展的共同趋势与目标.数字孪生作为解决智能制造信息物理融合难题和践行智能 制造理念与目标的关键使能技术,得到了学术界的广泛关注和研究,并被工业界引入到越来越多的领域进行落地应用。 二、数字孪生的定义 数字孪生(digital twin)是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型,借助数据模拟物理实体在
4、现实环境中的行为,通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段,为物理实体增加或扩展新的能力。作为一种充分利用模型、数据、智能并集成多学科的技术 ,数字孪生面向产品全生命周期过程,发挥连接物理世界和信息世界的桥梁和纽带作用,提供更加实时、高效、智能的服务。 广为接受的定义:数字孪生是一个集成的多物理、多尺度、概率性的在建系统高保真仿真模型,由数字主线(digital thread)驱动,借助高精度模型、传感器信息和输入数据来映射和预测实际物理孪生实体全生命周期的运行情况和性能。(2022年,NASA发布技术领域:建模、仿真、信息技术和处理路线图) 图 物理世界与数字世界 数字孪生的内涵包
5、括以下几个方面: ?数字孪生包含表征在建系统材料微观组织结构、缺陷、制造公差等特性的精确模型,且其长度跨越了从微米到米的宽广范围 ; ?数字孪生需要一系列高保真物理模型的支撑 ; ?数字孪生高度依赖综合健康管理系统(IVHM),不断传输产品运行过程中的实时监测数据,如变形、应力、应变、温度、振动等,动态修正自身模型,精确预测和监控产品的性能、寿命、任务可靠性,达到虚实融合的目的 ; ?数字孪生通过大数据挖掘、文本挖掘集成产品数据资料、维修报告和其他历史信息,为仿真提供支撑。 三、数字孪生标准体系框架 数字孪生标准体系框架,从基础共性标准、关键技术标准、工具/平台标准、测评标准、安全标准、行业应
6、用标准个方面给出标准指导。 3.1数字孪生基础共性标准 3.2数字孪生关键技术标准 包括物理实体标准、虚拟实体标准、孪生数据标准、连接与集成标准、服务标准五部分。 3.3数字孪生工具/平台标准 3.4数字孪生测评标准 3.5数字孪生安全标准 四、数字孪生五维模型 数字孪生五维模型的概念MDT(PE,VE,Ss,DD,CN)。 MDT是一个通用的参考架构,能适用不同领域的不同应用对象。其次,它的五维结构能与物联网、大数据、人工智能等NewIT技术集成与融合,满足信息物理系统集成、信息物理数据融合、虚实双向连接与交互等需求。 孪生数据(DD)集成融合了信息数据与物理数据,满足信息空间与物理空间的一
7、致性与同步性需求,能提供更加准确、全面的全要素/全流程/全业务数据支持。 服务(Ss)对数字孪生应用过程中面向不同领域、不同层次用户、不同业务所需的各类数据、模型、算法、仿真、结果等进行服务化封装,并以应用软件或移动端App的形式提供给用户,实现对服务的便捷与按需使用。 连接(CN)实现物理实体、虚拟实体、服务及数据之间的普适工业互联,从而支持虚实实时互联与融合。 虚拟实体(VE)从多维度、多空间尺度、及多时间尺度对物理实体进行刻画和描述。 五、多行业、多领域应用 多家国际知名企业已开始提供数字孪生技术在产品设计、制造和服务等方面的应用方案。 1.SAP的S/4HANACloud for In
8、telligent Product Design通过统一的数字孪生界面(Synchronized Digital Twin View),提供三种数字孪生功能:“数字孪生连接”提供物理实体之间或物理实体内部之间的数据连接;“数字孪生呈现”同步输出来自设备端和云端的 各种设备信息;“数字孪生管道”提供在共享协作平台进行数字孪生模型的新建、分发、更新、访问,增强与CAD/PLM/ERP进行整合的能力。 2.西门子公司致力于帮助制造企业在信息空间构建整合制造流程的生产系统模型,提出产品数字孪生、生产工艺流程数字孪生和设备数字孪生,实现物理空间从产品设计到制造执行的全过程数字化;针对复杂产品用户交互需求
9、。 3.达索公司建立起基于数字孪生的3D体验平台,利用用户反馈不断改进信息世界的产品设计模型,从而优化物理世界的产品实体。PTC公司致力于在虚拟世界与现实世界间建立一个实时的连接,基于数字孪生为客户提供高效的产品售后服务与支持。 4.世界领先的船级社DNV GL开发出一种利用数字孪生技术监测船体状况的方法,该方法可以充分利用设计阶段准备的计算分析模型,结合真实遭遇的波浪环境和位置数据,在营运阶段监测关键结构细节。 5.在航空航天领域,美国国家航空航天局将物理系统与虚拟系统相结合,研究基于数字孪生的复杂系统故障预测与消除方法,并应用在飞机、飞行器、运载火箭等飞行系统的健康维护管理中。 6.洛克希
10、德马丁公司将数字孪生技术运用到深空探测技术上,通过数字孪生技术,宇航员将能够实时获得地面人员的指令数据、模拟数据和解决方案,让宇航员能够更加有效地执行操作任务。 7.美国空军研究实验室结构科学中心通过将超高保真的飞机虚拟模型与影响飞行的结构偏差和温度计算模型相结合,开展基于数字孪生的飞机结构寿命预测。 8.空客集团采用基于数字孪生的A350XWB总装生产线“智能空 间”解决方案,一方面使制造流程完全可视化,工艺装备及其在总装厂内的分布情况一目了然,另一方面通过数字孪生模型预测生产中可能遇到的瓶颈,提前解决问题,不断提高总装效率。 六、数字孪生航空航天领域应用 6.1数字孪生卫星/空间通信网络
11、将数字孪生技术引入空间通信网络构建中,参照数字孪生五维模型,构建数字孪生卫星(单元级)、数字孪生卫星网络(系统级)以及数字孪生空间信息网络(复杂系统级),搭建数字孪生空间信息网络管理平台,如图所示,可实现卫星的全生命周期管控、时变卫星网络优 化组网以及空间信息网络构建与优化。 ()数字孪生卫星。卫星作为高成本的复杂航天产品,其设计、总装等过程一直存在数字化程度低、智能化水平低等问题,同时,卫星入轨后,其健康监控与维修维护也是一项难以解决的技术难题.将数字孪生技术引入卫星全生命周期中,可实现:借助孪生模型与仿真,辅助卫星的三维设计与验证;结合设计模型与数字孪生总装平台,实现总装数字化、智能化;基
12、于数字孪生的卫星故障预测与健康管理,借助传感器数据及运行数据,结合模型与算法,实现卫星的远程监控、状况评估、预测故障发生、定位故障原因并制定维修策略. ()数字孪生卫星网络。卫星网络节点高速运行、链路动态变化,对卫星网络拓扑结构时变重构提出了极高的要求。构建数字孪生卫星时变网络,是借助高拟真的网络模型和相关协议、算法,结合卫星当前状态数据、历史数据以及相关专家知识库,建立与实际卫星网络镜像映射的虚拟网络,并以此实现对网络行为的高精度的仿真,实时辅助卫星网络拓扑的构建。 ()数字孪生空间信息网络。在卫星时变网络组网的基础上,整合相关资源,搭建数字孪生空间信息网络平台,能够实现对整个网络状态与信息
13、的实时监控,并借助相关协议模型、算法及仿真工具,对网络场景与通信行为进行仿真,进而对空间信息网络实现路由预设置、资源预分配、设备预维护,实现空间信息网络的构建与优化。 6.2航天飞行器数字孪生技术及仿真平台 在同一平台上完成架构设计、功能设计、性能设计、虚拟试验、虚拟运行的集成化软件工具。该平台基于“数字孪生”技术开发的数字卫星仿真平台,可以实现各个子系统仿真模型的虚拟集成,数字卫星的虚拟组装和快速构建,以及充分发挥计算机硬件资源,实现高效率的仿真评估计算。快速开展在轨卫星的故障分析和故障推演工作,并且快速构建轨道任务评估系统,成功实现了数字孪生技术在卫星测控领域的工程应用。 部分替代或者减少
14、了卫星产品试验验证工作,降低研发成本并提升研发效率,在卫星研制工作中发挥重要作用。基于该平台可以对若干卫星的轨道任务进行分析,成功建设地面平行试验系统,提高轨道任务规划和测控技术水平。可以建设宇航员虚拟训练系统,也可以为新型航天飞行器/探测器的研发提供支持。 6.3航空发动机低压涡轮单元体对接术 采用数字孪生技术,通过对环境、工艺过程中的物理对象建模,并使用多传感器进行模型与物理对象之间数据映射与互联,实现航空发动机低压涡轮单元体对接工艺过程与3D虚拟对接仿真过程的物理融合、模型融合、数据融合;通过数据在虚拟仿真环境中的可视化展示与分析,实时预警及决策,并借助物理终端控制实现低压涡轮单元体对接
15、安装过程的实时位姿调整,提高了真实对接过程的可视性、可达性、可操作性和可预测性;基于数字孪生的低压涡轮单元体对接技术可保证在复杂装配条件、高精度要求下,真实单元体装配过程的无磕碰对接,减少操作人员劳动强度。 基于数字孪生的航空发动机低压涡轮单元体自动对接,分为真实实体对接过程和虚拟仿真对接过程,两个过程并行进行,实时进行信息交互,通过虚拟对接过程,可对真实对接过程进行过程监控、预测和指导,保证对接过程的顺利进行。基于数字孪生的航空发动机低压涡轮单体自动对接过程如图所示。为了提高低压涡轮单元体装配过程的可视化程度,在此基础上,对重要的过程数据进行监控、预测并随时对过程进行调整,提高生产过程效率及
16、质量水平。 基于数字孪生的航空发动机低压涡轮单元体真实、虚拟对接并行过程展示 6.4航空发动机全生命周期管理 (1)设计阶段。航空发动机的研制是一项典型的复杂系统工程,面临着研制需求复杂、系统组成复杂、产品技术复杂、制造过程复杂、试验维修复杂、项目管理复杂、工作环境复杂等问题,基于同类型航空发动机的数字孪生体,根据量化的用户需求指标(如推重比、耗油率、喘振裕度、效率和可靠性等),可在设计阶段快速构建个性化新型发动机的完整仿真模型,形成新型发动机的数字孪生体,并对其整体性能和功能进行多系统联合仿真,大大提高新产品的设计可靠性,快速验证新产品的设计功能。 (2)试验阶段。传统航空发动机的研制主要依
17、靠物理试验,为了测试航空发动机实际工作性能和特性,需要建立能够模拟发动机实际工作环境和使用工况条件的试验台,如地面模拟试验台、高空模拟试验台、飞行模拟试验台等。一方面,试验方案、试验工况的设计和优化需要长期摸索,试验时间和成本高昂;另一方面,一些极端工况可能在现有试验条件下无法实现。基于设计阶段形成的航空发动机数字孪生体,可构建包含综合试验环境的航空发动机虚拟试验系统,基于量化的综合试验环境参数,不断修正其模型,可对试验方案和测试参数进行优化,同时预测对应工况下发动机的性能,诊断其潜在的风险,强调在实际飞行之前进行“试飞”。 (3)制造/装配阶段。在发动机制造和装配前,基于其数字孪生体可以进行
18、制造和装配工艺优化;在制造和装配过程中,通过传感器实时采集制造和装配过程信息(尺寸公差、装配间隙、应力应变等),基于大数据技术驱动航空发动机数字孪生体持续更新,实现虚实高度近似,在物联网技术的支撑下,可实现对发动机零部件制造过程的实时监控、修正和控制,保证零件的加工质量同时形成个性化的发动机数字孪生体,为后续运行/维修阶段服务。 (4)运行/维修阶段。在实际发动机出厂时,存在一个与其高度一致的发动机数字孪生体同时交付给用户。在发动机运行/维修阶段,基于IVHM实时监测航空发动机的运行参数和环境参数,如气动、热、循环周期载荷、振动、应力应变、环境温度、环境压力、湿度、空气组分等,数字孪生体通过对
19、上述飞行数据、历史维修报告和其他历史信息进行数据挖掘和文本挖掘,不断修正自身仿真模型,可实时预测发动机的性能,进行故障诊断和报警,借助VR/AR等虚拟现实技术,还可实现支持专家和维修人员沉浸式交互,进行维修方案制订和虚拟维修训练。 (5)报废/回收阶段。在实际物理发动机被回收或报废之后,与其对应的数字孪生体作为发动机全生命周期内数字化信息的存储和管理库,可被永久保存,并被用于同类型发动机的研制过程中,构建闭环的发动机全生命周期数字化设计和应用模式,形成良性循环,大大加速发动机的研制流程,提高发动机设计的可靠性。 6.5航天器系统工程模型与实现 从7个维度对航天器系统工程进行综合,建立了基于数字
20、孪生的航天器系统工程整体模型和应用框架,并按照生命周期进展演化为设计、工艺、制造装配、试验测试与在轨运行5个典型阶段模型和应用框架。在技术实现层面,基于物联网、大数据、用于过程控制的对象连接与嵌入统一架构、系统建模语言、基于模型的定义、面向服务的架构等先进技术,构建了由物理空间、传输层、数据层、模型层、服务层和应用层构成的数字孪生系统架构。基于数字孪生的航天器系统工程能够有效实现航天器研制全生命周期信息世界与物理世界的双向动态实时交互共融与协同,从而推进航天工业智能制造的发展。 基于数字孪生的航天器系统工程总体思想 整体模型和应用框架 覆盖跨生命周期主要阶段的总体模型框架 6.6单机质量监控技
21、术研究 基于数字孪生的单机质量监控方法: 基准模型构建流程 以一型飞机机载电子设备为例说明基于数字孪生模型进行单机设备质量监控过程。该型飞机在使用过程中,每天记录各编号飞机使用数据、故障数据,利用设计和制造阶段的数字孪生模型,可对薄弱环节的应力损伤情况进行定期更新,以实现对单机进行质量监控的目的。 一型飞机机载电子设备单机质量监控流程 6.7火箭起飞安全系统设计 该系统采用数字化仿真、多源模型处理等技术完成虚拟仿真场景的构建。系统的数据采集模块对火箭、地面设备等产品的实时信息进行采集,完成火箭起飞场景数字孪生体的演化。采用数字化仿真技术,实现火箭起飞过程仿真、干涉检查和安全性分析。同时,系统根
22、据仿真结果对火箭姿态进行优化和控制。为保证火箭起飞安全系统的正确性,采用火箭起飞过程中的真实数据,对系统模型进行不断评估和修正。该系统提高了火箭发射的可靠性,为火箭安全起飞提供了保障。 6.8航空发动机运行维护中的应用 航空发动机是典型的复杂装备系统,通过融合模型驱动和数据驱动的方法,构建航空发动机运维数字孪生体,可实现对物理发动机的精准监测、故障预测、性能和控制优化,为数字孪生技术在航空发动机全生命周期的应用提供参考。 以数字孪生体初始模型为基础,结合物理空间向数字空间传递的数据,构建动态演化的运维数字孪生体。初始模型与物理空间中传递的不同数据相结合,使其具备所要求的行为特征,形成航空发动机
23、运维数字孪生体,如图所示。 6.9数字孪生驱动的固体发动机总体设计体系架构与应用 为了改进固体发动机以经验半经验为主的设计模式,解决固体发动机设计与仿真分离、数值模拟与物理试验分离、地面试验数据测不了、测不准和测不到等难题,推动固体发动机由经验驱动设计向数据和模型驱动设计转型,从数字孪生体的内涵出发,研究建立了数字孪生驱动的固体发动机总体设计概念体系,从过程、模型和数据个视角定义了固体发动机数字孪生,并提出了过程孪生、模型孪生和数据孪生的概念;在此基础上,建立了数字孪生驱动的固体发动机总体设计系统层架构模型,分析了各层的内涵及层与层之间的关系;从过 程孪生、模型孪生和数据孪生个概念出发,研究了
24、数字孪生驱动的固体发动机总体设计系统的运行机制;分析了系统的特点,探讨了系统在发动机设计中的应用方法,并给出了初步的实现方案,为下一步落地应用提供理论参考。 建立数字孪生驱动的固体发动机总体设计系统,系统按照图中架构,划分为大功能区,即“个平台(协同任务管理平台、协同设计平台)个环境(性能仿真环境、虚拟试验环境和数据采集环境)”。 6.10航空发动机智能生产线中的应用 自动化和数字化是实现智能制造的重要基础。在传统工艺下,某航空发动机零组件有 64 道机械加工工序,采用数控机床和普通机床混合加工模式,精加工工序通过数控设备的精度和工人现场编程保障;生产过程不透明,规范性差,产能计算不准确;生产
25、现场尚未建立工控网和数据采集设备,依据人工经验对生产过程进行控制,问题发现不及时,且误检问题严重;质量数据无法及时采集和分析,可追溯性差。为提升生产现场的数字化协同和智能管控能力,提高产品机械加工质量,缩短生产周期,某制造厂对生产线进行数字化和网络化改造,通过数字孪生技术对工艺设计过程和生产制造过程进行优化改进,取得了很好的应用效果。 通过智能生产线建设和数字孪生技术应用,实现了某组合零件的柔性化和数字化生产。加工过程无人值守,使工序减少到原来的 1/10,产能提升到原来的2 倍,产品合格率达到 98%以上。通过应用数字孪生技术,形成最优布局及最佳产能节拍,大大缩短了物理生产线的建设和调试周期
26、,保证了生产线的建设质量。在制造过程中应用数字孪生技术,实现了在物理生产线正常运行的情况下,对新产品的制造过程进行工艺分析和生产调试,虚拟生产线设备的运行时间准 确度大于 85%,虚拟生产线和物理生产线机器人的动作延迟小于 1s,大大缩短新产品的上线周期。 七、数字孪生的趋势 虽然已有企业初步探索数字孪生技术方案及相关应用,但数字孪生在实际应用过程中仍存诸多不足。例如,数字孪生技术应用必须以海量数据为基础,并且是基于全要素、全生命周期的数据,而有关这些数据所涉及的先进传感器技术、自适应感知、精确控制与执行技术等难题急需进一步攻关;此外,现阶段数字孪生应用主要集中在产品的运维和健康管理等方面,需
27、要继续加强在产品设计与优化、装配、测试检测、车间调度与物流等环节的实践应用。 随着相关理论技术的不断拓展与应用需求的持续升级,物理世界中的各种事物都有望使用数字孪生技术在虚拟空间中形成映射,特别在工业领域,数字孪生结合物联网数据采集、大数据处理和人工智能建模分析,能够实现对过去发生问题的诊断、当前状态的评估以及未来趋势的预测,并给予分析结果,模拟各种可能性,进而提供设计、生产、维护及维修等方面的决策支持。 第17页 共17页第 17 页 共 17 页第 17 页 共 17 页第 17 页 共 17 页第 17 页 共 17 页第 17 页 共 17 页第 17 页 共 17 页第 17 页 共 17 页第 17 页 共 17 页第 17 页 共 17 页第 17 页 共 17 页