本刊編輯部 / 文
數(shù)字孿生技術(shù)以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬模型,模擬物理實體的現(xiàn)實行為,通過虛實交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段,實現(xiàn)物理實體空間與數(shù)字虛擬空間的交互共融和智能化操作,是智能制造落地實施的關(guān)鍵技術(shù)之一。數(shù)字孿生技術(shù)最先由美國軍方組織開展應用研究,近兩年逐漸成為軍工領(lǐng)域的重要發(fā)展方向,在美歐大型軍工企業(yè)裝備研制生產(chǎn)與維修保障中得以應用,并開始取得一定實效。
在國家戰(zhàn)略層面,美國國家數(shù)字化制造與設計創(chuàng)新機構(gòu)將數(shù)字孿生技術(shù)列為2018年戰(zhàn)略投資重點:一是研究并構(gòu)建工廠的數(shù)字孿生試點,應用數(shù)字孿生建模方法仿真工廠實際環(huán)境,預測生產(chǎn)效率、分析時間進度或制造資源變化的影響、根據(jù)現(xiàn)場工藝數(shù)據(jù)優(yōu)化生產(chǎn)流程,大幅提高工廠生產(chǎn)效率;二是研究構(gòu)建供應鏈數(shù)字的孿生模型,權(quán)衡分析與供應鏈相關(guān)的時間、成本、產(chǎn)品復雜性、庫存等信息,使供應鏈效率達到最優(yōu);三是宣傳推廣數(shù)字孿生技術(shù)應用。該創(chuàng)新機構(gòu)由美國國防部牽頭組建,是國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡計劃14個創(chuàng)新機構(gòu)之一,其投資方向代表了美國政府和軍方的關(guān)注重點。
在企業(yè)戰(zhàn)略層面,2017年6月,洛馬公司提出名為“Product Digiverse”的新一代數(shù)字化技術(shù)發(fā)展理念,旨在將人員、設備、物料、環(huán)境等物理實體及制造過程與數(shù)字化模型連接,構(gòu)建物理世界的鏡像模型。這一理念的本質(zhì)即數(shù)字孿生技術(shù)。11月,洛馬公司將數(shù)字孿生技術(shù)列為2018年度影響軍工領(lǐng)域的六大頂尖技術(shù)之首??湛凸疽矊?shù)字孿生技術(shù)作為實施數(shù)字化戰(zhàn)略、構(gòu)建“未來工廠”的重要內(nèi)容。
洛馬、諾格、空客等軍工巨頭積極推進數(shù)字孿生技術(shù)的實際應用,涉及武器系統(tǒng)設計研發(fā)、生產(chǎn)制造、運行維護幾個應用方向,代表了目前數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展的先進水平。
通過建立產(chǎn)品數(shù)字孿生模型,在零部件生產(chǎn)前即可預測成品質(zhì)量、識別設計缺陷,并在數(shù)字孿生模型中進行迭代設計,大幅縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本。
2016年,達索系統(tǒng)公司針對復雜產(chǎn)品創(chuàng)新設計,建立了基于數(shù)字孿生技術(shù)的3DExperience平臺,利用用戶交互反饋的信息不斷改進產(chǎn)品的數(shù)字化設計模型,并反饋到物理實體產(chǎn)品中。2018年5月,達索航空公司將3DExperience平臺用于新型戰(zhàn)斗機研發(fā),以及“陣風”系列戰(zhàn)斗機和“隼”式商務客機的生產(chǎn)能力提升;6月,土耳其航空工業(yè)公司宣稱將在TF-X第五代戰(zhàn)斗機研制中采用該平臺。
通過建立生產(chǎn)現(xiàn)場資源和環(huán)境的數(shù)字孿生模型,可優(yōu)化制造流程、合理配置制造資源、減少設備停機時間,進而提高生產(chǎn)資源利用率、降低生產(chǎn)成本。
2016年,諾格公司利用數(shù)字孿生技術(shù)改進了F-35戰(zhàn)斗機機身生產(chǎn)中劣品的處理流程。新流程可自動采集零部件數(shù)據(jù)并精準映射到數(shù)字孿生模型,進行實時、快速、精確分析,使F-35戰(zhàn)斗機進氣道加工缺陷決策處理時間縮短33%。2017年12月,洛馬公司在F-35沃斯堡工廠部署基于數(shù)字孿生技術(shù)的“智能空間平臺”,將實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)映射到數(shù)字孿生模型中,并與制造執(zhí)行和規(guī)劃系統(tǒng)相連,提前規(guī)劃和調(diào)配制造資源,從而全面優(yōu)化生產(chǎn)過程。據(jù)估計,應用數(shù)字孿生等新技術(shù)后,每架F-35戰(zhàn)斗機生產(chǎn)周期將從目前的22個月縮短到17個月,且在2020年前將制造成本從目前的9460萬美元(F-35A)降低到8500萬美元以下,降幅超過10%。
2016年起,空客公司為實現(xiàn)A350XWB飛機增產(chǎn)提效,開始在法國圖盧茲工廠構(gòu)建總裝線數(shù)字孿生模型??湛凸驹陉P(guān)鍵工裝、物料、零部件上安裝無線射頻識別系統(tǒng),建立裝配線的數(shù)字孿生模型,實現(xiàn)對數(shù)萬平方米空間和數(shù)千個對象的實時精準跟蹤、定位和監(jiān)測,并借助模型優(yōu)化運行績效。目前,A350XWB、A330、A400M 等型號裝配線不同程度地應用了數(shù)字孿生技術(shù)。
數(shù)字孿生技術(shù)在對產(chǎn)品運行狀態(tài)實時監(jiān)控的同時,還可利用智能算法預測產(chǎn)品在正常工作條件下的性能趨勢,進而優(yōu)化維修進度、減少計劃外停機,大幅提高運營性能。
2016年,波音公司與美國空軍合作構(gòu)建了F-15C戰(zhàn)斗機機體的數(shù)字孿生模型,用于管理機體殘余應力、幾何結(jié)構(gòu)、有效載荷、材料微結(jié)構(gòu)等,進而預測結(jié)構(gòu)組件的使用壽命,據(jù)此調(diào)整結(jié)構(gòu)組件檢修、替換周期。同年,通用電氣公司基于Predix軟件平臺開發(fā)出數(shù)字孿生解決方案,用于對發(fā)動機進行實時監(jiān)控、及時檢查以及預測性維護。普惠、羅羅兩家公司也正在著力開發(fā)用于發(fā)動機運維和管理的數(shù)字孿生解決方案。
總體來說,目前針對數(shù)字孿生技術(shù)的研究和應用還處于初級階段。美歐等發(fā)達國家軍工巨頭和達索系統(tǒng)、西門子等軟件提供商都在結(jié)合各自發(fā)展需求積極開發(fā)數(shù)字孿生解決方案??梢灶A見,學術(shù)界、生產(chǎn)企業(yè)、軟件提供商等多方力量的聯(lián)合發(fā)力,將加快推動數(shù)字孿生技術(shù)在武器裝備設計、制造、運維等全過程獲得更大范圍、更高層級的應用,使產(chǎn)品創(chuàng)新、制造效率、可靠性水平提升到新的高度。