曹玉法，王洪申，鄭成凱

(蘭州理工大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

數(shù)字孿生 (digital twin, DT) 是通過物理模型、傳感器采集、運行歷史等大量數(shù)據(jù)，涵蓋多學科、多物理量、多空間和時間尺度、多概率的實時仿真過程[1-3]，它通過在系統(tǒng)的各個部分布置大量的傳感器，收集大量的真實數(shù)據(jù)，并通過這些數(shù)據(jù)對真實的物理實體進行建模與分析，在虛擬的空間中將物理實體以數(shù)字化模型的形式映射出來，從而可以根據(jù)數(shù)字化模型的全生命周期過程反映相對應物理實體的實時狀態(tài)[4]。借助于各種高精度傳感器和高性能的通信接口, 數(shù)字孿生可以利用物理實體在各個維度的精確數(shù)據(jù), 對其進行數(shù)據(jù)分析和模擬仿真[5], 實時反映物理實體的實際情況, 并通過虛實之間的數(shù)據(jù)和信息交互接口對物理實體進行控制。 數(shù)字孿生的基本概念模型主要由3部分組成[6]：1)物理空間的物理模型；2)虛擬空間的虛擬模型；3)物理空間和虛擬空間之間的數(shù)據(jù)和信息交互接口。

數(shù)字孿生在其發(fā)展歷程中隨著認知的不斷加深而深化, 主要經(jīng)歷了3個階段[7]：①數(shù)字樣機階段。數(shù)字樣機是數(shù)字孿生的最初形態(tài), 是對機械產(chǎn)品整機或者具有獨立功能的子系統(tǒng)的數(shù)字化描述；②狹義數(shù)字孿生階段。由Grieves 教授提出，其定義對象就是產(chǎn)品及產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字化表征；③廣義數(shù)字孿生階段。在定義對象方面，廣義數(shù)字孿生將涉及范圍進行了大規(guī)模延伸, 從產(chǎn)品擴展到產(chǎn)品之外的更廣泛領域。世界著名的技術咨詢公司 Gartner 連續(xù)三年將數(shù)字孿生列為十大技術發(fā)展趨勢之一[8]，其對數(shù)字孿生主要描述為：數(shù)字孿生是現(xiàn)實世界實體或系統(tǒng)的數(shù)字化表現(xiàn)。因此，數(shù)字孿生成為任何信息系統(tǒng)或數(shù)字化系統(tǒng)的總稱。

1 實驗臺的搭建與測試方法

數(shù)字孿生是對單個產(chǎn)品的全面數(shù)字化表示。它通過模型和數(shù)據(jù)包括現(xiàn)實對象的屬性、條件和行為。數(shù)字孿生體是一組真實的模型，可以模擬其在部署環(huán)境中的實際行為。為了驗證這個的概念，本文開發(fā)了一個彎曲梁實驗臺。

1.1 實驗臺搭建

實驗臺由1個雙線軌精密滾珠絲杠直線滑臺、1個單點式壓力傳感器、57步進電機、步進電機驅(qū)動器、步進電機控制器、1個直流開關電源及若干線材、鋁合金搭建的框架構成(圖1)。線路連接如圖2所示。

1—控制器；2—直流電源；3—驅(qū)動器；4—步進電機；5—滾珠絲杠滑臺；6—壓力傳感器；7—彈簧鋼試件；8—鋁合金框架。

圖2 線路連接圖

1.2 測試方法

物理孿生體由1個雙線軌精密滾珠絲杠直線滑臺、1個壓力傳感器構成。測試的試件為不同規(guī)格的彈簧鋼薄板。試件的一端固定在實驗臺上，另一端安裝在滑臺的滑塊上。在控制器中輸入多次位移值，使控制滑塊進行不同的位移，并在相關軟件中實時記錄傳感器顯示不同的壓力值。

在本實驗中，數(shù)字孿生體由彎曲梁(指的是彈簧鋼薄板)的精確Solidworks模型表示(圖3)，夾具和鋁合金框架默認為剛性的。下一階段將進行多體仿真與有限元法仿真相結(jié)合，以準確反映整個試驗臺在虛擬空間中的情況。

圖3 精確Solidworks模型圖

為了連接物理孿生體和數(shù)字孿生體，選擇了智能生產(chǎn)系統(tǒng)集成的賽博物理系統(tǒng)CPS。真實物理實體的狀態(tài)和參數(shù)信息可以通過此智能生產(chǎn)系統(tǒng)的圖像數(shù)字化生產(chǎn)管理模型反饋，從而能夠使生命周期各個環(huán)節(jié)的圖像數(shù)字化與物理實體模型保持一致，進而使CPS能夠更好地實現(xiàn)用戶動態(tài)、實時地評估系統(tǒng)的當前及未來的數(shù)字化功能和系統(tǒng)性能。CPS用于控制物理和數(shù)字孿生，并通過儀表盤查看彎曲梁的實驗結(jié)果。

開始實驗時，打開測量彎曲力的實時記錄軟件。在控制器中輸入最終的位移參數(shù)，線性驅(qū)動器控制滑臺到達指定位置。數(shù)字孿生使用真實的力或位移值，以啟動一個全自動有限元分析。計算結(jié)果通過代理推回到CPS，在那里與物理結(jié)果進行比較(圖4)。

圖4 物理實體與數(shù)字孿生體關聯(lián)圖

2 數(shù)據(jù)對比與實驗分析

2.1 數(shù)據(jù)對比

本實驗采用6個試件(彈簧鋼薄板)，具體尺寸如表1所示。

表1 試件尺寸表 單位：mm

本實驗主要從兩個方面進行比較，一是應力，二是應變。物理實體上(指的是試件)的應力由傳感器測得，應變由線性驅(qū)動器控制；而數(shù)字孿生體上的應力、應變則是由ANSYS對試件分析而來(圖5)。

圖5 試件ANSYS分析圖

物理實體測試與數(shù)字孿生體測試結(jié)果如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)對比表

2.2 實驗分析

通過測試結(jié)果表明，考慮測量和制造公差后，物理測試和數(shù)字測試之間的偏差仍在誤差范圍之內(nèi)。由此，驗證了數(shù)字孿生概念的準確性。

測試臺目前只是從應力、應變兩個方面進行探究，下一步將會從試件的轉(zhuǎn)矩以及在產(chǎn)生形變過程中能量的變化等方面進行比對。從試件的內(nèi)、外兩部分進行分析，從而更清楚地了解試件的工作狀態(tài)。通過選取不同的材料，再從各個方面收集大量的數(shù)據(jù)，從而精確地對數(shù)字孿生進行驗證。另外需要明確的是，實驗臺的實驗目的不是計算給定梁的力或者位移，而是將數(shù)字孿生的概念演示到實際的系統(tǒng)當中，從彎曲梁這個簡單的實驗中，很容易將這個概念推廣到各個領域的實際系統(tǒng)中。通過對各種傳感器的集成以及對原有Solidworks模型的數(shù)據(jù)分析，得出兩者之間的聯(lián)系，產(chǎn)生了眾多的可能性。傳感器和無處不在的計算機集成已經(jīng)是社會和工業(yè)的主要發(fā)展趨勢。然而為單個產(chǎn)品開發(fā)數(shù)字孿生仍然是一項耗時的手工任務。為了能夠為任何產(chǎn)品或系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字孿生，需要自動生成通用模型。

3 結(jié)語

為了驗證數(shù)字孿生的概念，開發(fā)了彎曲梁實驗臺。目前的設置仍存在局限性，有待進一步研究。下一步是建模并實現(xiàn)動作結(jié)構分析。在這種方法中，整個實驗臺都是用關節(jié)建模的，所有部件都能在其指定的自由度內(nèi)運動。彎曲梁本身作為一個靈活的整體，在彎曲梁的有限元分析中，施加在梁上的力不是顯示輸入的，而是線性執(zhí)行機構各自位移的結(jié)果，輸入數(shù)據(jù)來自物理實體的驅(qū)動器。

目前的Solidworks模型是專門為產(chǎn)品開發(fā)而設計的，并不是作為數(shù)字孿生而存在，這意味著它們不是設計用來表示產(chǎn)品在整個操作階段的實際狀態(tài)。所以范式轉(zhuǎn)換是必要的。在產(chǎn)品開發(fā)的所有階段中，需要在開發(fā)產(chǎn)品的同時開發(fā)產(chǎn)品的數(shù)字孿生體模板。當生成物理產(chǎn)品并由此從產(chǎn)品模型實例化時，需要從每個產(chǎn)品實例的數(shù)字孿生模板中相應地實例化單個數(shù)字孿生。此外，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理方法不能滿足數(shù)字孿生范式的需要，需要重新思考。最終的目標是自動派生數(shù)字孿生體，并實現(xiàn)與物理實體的通信接口，以使該技術廣泛適用于產(chǎn)品實際中。