数字孪生技术在产品生命周期中的应用与展望

数字孪生的出现为产品全生命周期管理理念的实现提供了新的思路和途径。为探索数字孪生在产品生命周期各阶段的应用模式,从"面向对象"与"面向过程"两个角度阐述了数字孪生的含义,给出了基于数字孪生的产品生命周期的内涵,在此基础上分析了数字孪生在产品研发、制造、维护、报废等产品生命周期各阶段典型场景中的应用方式,总结了数字孪生体的全生命周期,并指出了基于数据的制造这一可能的未来制造模式和数字孪生体的发展方向。     

基于数字孪生的复杂机械产品多学科协同设计建模技术

数字孪生技术能够实现产品物理模型和信息模型的融合与迭代优化,从而缩短产品研发周期、降低返工成本。针对复杂产品多学科协同性差、研发成本高的难题,将数字孪生的理念引入到复杂机械产品多学科协同设计中。分析了多学科协同设计和数字孪生的研究进展,从全生命周期的视角探讨了产品、生产及其性能数字孪生模型的信息表达、集成与数据交互问题,给出了数字孪生的演变过程模型;在分析产品数字孪生多阶段建模过程的基础上,设计了一个产品数字孪生多学科协同设计建模参考架构,提出了机电一体化的多学科协同设计与虚拟工程方法和产品数字孪生多学科协同设计关键技术,通过优化仿真和虚拟调试构建了复杂机械产品的数字孪生模型,解决了产品全生命周期中机械、电气和自动化等多学科系统的信息物理融合问题。通过案例验证了所提数字孪生多学科建模理论及其优化方法的可行性。     

基于元动作理论的驱传系统数字孪生模型构建

针对面向实际工程应用的数字孪生技术,探索了基于元动作理论的机电设备驱传系统数字孪生体模型框架的构建及其关键技术。阐述了从零部件到元动作理论的历史渊源,对元动作理论的相关概念及其引入数字孪生技术的原由进行了介绍,对比了其与传统方法的不同,在此基础上从元动作的优势和特点出发,以元动作理论为底层架构,将其引入驱传系统的数字孪生技术。提出驱传系统数字孪生体的内涵并详细定义了单元级、链级、系统级孪生体3个层次,搭建了基于元动作理论的驱传系统数字孪生体的五维框架。以某型号数控转台的驱传系统为例构建了实时监控数字孪生系统实例,给出了数字孪生技术的应用框架,验证了该数字孪生模型具有一定的实际意义与工程应用价值。     

基于数字孪生的复杂产品设计制造一体化开发框架与关键技术

数字孪生是实现物理信息深度融合的一个重要抓手,复杂产品设计和制造信息物理融合是其中最重要的环节,为最终智能制造的落地提供了有效途径。当前,针对数字孪生技术的研究与应用主要集中在车间运行和产品运维等方面,而将数字孪生技术应用于复杂产品设计与制造融合的研究较少。产品设计是智能制造的第一个环节,也是产生数字孪生体的第一个环节,研究基于数字孪生的复杂产品设计制造一体化开发对实现后续的智能加工、装配和运维等具有重要影响。为此,分析了基于数字孪生的复杂产品设计制造一体化开发内涵,提出了基于数字孪生的复杂产品环形设计框架;基于所提出的框架,从需求分析、概念设计、个性化配置设计、虚拟样机、多学科融合设计和数据管理等方面,探索了基于数字孪生的复杂产品设计制造一体化开发中的关键技术;通过两个典型应用案例,展示了数字孪生关键技术在复杂产品设计制造一体化开发中的应用场景。     

数字孪生在制造中的应用进展综述

随着工业4.0、CPS、智能制造等研究的深入,如何解决制造中物理世界与信息世界之间的交互共融成为进一步推进制造业变革的核心问题。在此背景下,学术界和工业界提出了数字孪生的概念及技术体系,用于解决上述难题。为了全面了解数字孪生研究进展,首先梳理了数字孪生的基本概念,综述了其在航空航天、产品、制造设备及制造车间等阶段的应用进展,重点分析了数字孪生与物联网、大数据、CPS之间的联系与区别,最后指出了数字孪生在制造领域的发展趋势。     

数字孪生在制造业中的关键技术及应用研究综述

数字孪生以数字化的形式在产品的生产制造中实现了全过程的动态仿真,覆盖了产品的全生命周期和全产业链,对推动未来智能制造的发展有着重要的意义。基于数字孪生技术在制造业中的应用,梳理了数字孪生的理念,探讨了数字孪生在制造业中的关键技术。对数字孪生在制造领域中的数据优化、质量分析、寿命预测、流程工业、离散工业和数字工厂几个方面的应用进行了综述,并对数字孪生在制造领域中的发展趋势提出预测及展望,可为推动数字孪生技术在未来制造业中的研究和应用提供一定的参考。     

智能制造中的数字孪生技术

数字孪生是从数字化技术发展演变而来,成为智能制造中热点话题,但目前还存在对数字孪生模糊甚至不同的看法。文章对比分析了人类的意识空间和计算机组成的虚拟空间在制造领域相互关系,从产品的全生命周期来研究数字化对制造业带来的技术变革,探讨数字孪生技术在智能制造中的地位和作用,并展望了数字孪生技术的发展。     

基于数字孪生的产品生命周期绿色制造新模式

随着人们可持续发展意识的增强,传统制造业正深刻重塑并向绿色化、智能化、服务化转型。制造企业相继运用各种先进信息化技术(云计算、信息物理系统、物联网、仿真建模)来解决可持续制造中的各类问题,由此提出数字孪生驱动的绿色制造新模式,围绕以绿色特征为中心的物理世界与虚拟世界的交互与融合,建立了包含绿色特征的五维数字孪生模型,以重塑绿色制造过程中物理实体、虚拟孪生体、数据、交互接口、服务五维要素之间的关系及要素的绿色特性。分析了五维数字孪生模型下绿色材料选择、绿色拆解、绿色回收、绿色再制造及逆向供应链领域的相关应用,最后以基于绿色特征提取的产品生命周期能耗管理平台验证了提出的五维数字孪生体驱动的产品生命周期绿色制造新模式。     

数字孪生卫星:概念、关键技术及应用

在分析卫星产业发展趋势与升级转型新需求后,为推动卫星与新技术融合发展,提升大型卫星工程的整体管理水平与流程管控能力,促进卫星产业数字化、网络化、智能化、服务化转型升级,将数字孪生技术与卫星工程的关键环节、关键场景、关键对象紧密结合,探讨提出了数字孪生卫星的概念。为阐述数字孪生卫星内涵,以卫星互联网项目为背景,从空间维度对数字孪生卫星的组成进行了分析,包括数字孪生卫星试验验证系统、数字孪生卫星总装车间、数字孪生卫星产品、数字孪生卫星网络等。从时间维度对数字孪生卫星核心要素,包括模型线程(Model Thread)、数据线程(Data Thread)、服务线程(Service Thread),进行了阐述。在此基础上提出了数字孪生卫星关键技术体系,并结合前期已开展的相关实践工作,从全生命周期视角对数字孪生卫星在卫星总体设计、详细设计、生产制造(含装配、集成与测试)、在轨服务与健康管理、网络运维管理各阶段的应用进行了探讨,以期为未来卫星产业发展,卫星工程和卫星互联网工程建设提供参考。     

基于数字孪生的工程机械产品健康检测方法研究

为了提高工程机械产品的安全性能,结合故障预测与健康管理技术,提出基于数字孪生的工程机械产品健康检测方法。建立可准确反映当前工程机械产品状态的数字孪生模型,通过分析数字孪生模型,实现对工程机械产品的状态预测,从而提前发出故障预警。通过建立QTZ40塔机的数字孪生模型,运用基于数字孪生的工程机械产品健康检测方法对其进行健康检测。实验数据表明:基于该检测方法可有效实现机械故障预警和诊断,提高了塔机的安全性,解决了工程机械传统健康检测方法的不足,为同类工程机械故障诊断问题提供了解决方案。