李琳

（上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司，上海 200233）

在我國(guó)能源形式中，電力最為潔凈和便捷，已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)的命脈。目前，我國(guó)的電力系統(tǒng)使用的動(dòng)力源是以火力發(fā)電和水利發(fā)電為主，然而，火力發(fā)電在發(fā)電過程中會(huì)產(chǎn)生一系列的環(huán)境問題，如產(chǎn)生大量的二氧化碳導(dǎo)致的溫室效應(yīng)、二氧化硫?qū)е碌沫h(huán)境污染等。針對(duì)以上問題，中國(guó)向全世界承諾，未來(lái)10年碳排放量將減少40%～50%。優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展可再生能源是實(shí)現(xiàn)這一承諾的重要條件。風(fēng)能由于其具有清潔、便捷的特點(diǎn)，在全球的各種可再生能源中，受到了全球有關(guān)專家的廣泛關(guān)注，風(fēng)電行業(yè)也因此得到了快速發(fā)展，對(duì)風(fēng)電機(jī)組整機(jī)設(shè)計(jì)需求也日益增加。日益擴(kuò)大的市場(chǎng)對(duì)于安裝工藝效率要求進(jìn)一步提升，為了進(jìn)一步提升裝配安裝效率，針對(duì)工藝仿真的呼聲要求進(jìn)一步擴(kuò)大。但是，由于風(fēng)電行業(yè)的建模和仿真技術(shù)以及工具的開發(fā)都比較落后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的建模和仿真技術(shù)是其研究的基本工作和條件。本文基于工藝仿真應(yīng)用設(shè)計(jì)推廣架構(gòu)，完善風(fēng)電工藝仿真應(yīng)用實(shí)踐案例，著重介紹了風(fēng)力發(fā)電建模和仿真的基本條件和技術(shù)基礎(chǔ)，希望為風(fēng)電行業(yè)的進(jìn)一步研究提供研究思路和實(shí)際參考。

1 數(shù)字化工藝平臺(tái)整體架構(gòu)

數(shù)字化整體制造從前端設(shè)計(jì)到數(shù)字化工藝到生產(chǎn)端執(zhí)行，是由零部件制造、裝配規(guī)劃、工藝BOP、資源管理、工廠設(shè)計(jì)與優(yōu)化、生產(chǎn)管理等核心軟件構(gòu)成?？稍诠に嚪抡孳浖谐醪綄?shí)現(xiàn)數(shù)字雙胞胎映射，完成工藝規(guī)劃及相關(guān)工藝過程操作?，F(xiàn)在技術(shù)成熟度越來(lái)越高，研發(fā)周期要求越發(fā)緊迫，如何可以快速提升研發(fā)效能，是重中之重。利用數(shù)字化技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)虛擬生產(chǎn)，通過研發(fā)設(shè)計(jì)端進(jìn)行虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)，工藝條線進(jìn)行虛擬生產(chǎn)仿真，過程協(xié)同確認(rèn)及相互迭代，虛擬產(chǎn)品用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬生產(chǎn)，虛擬生產(chǎn)反饋數(shù)據(jù)更新至虛擬產(chǎn)品，虛擬生產(chǎn)環(huán)境中驗(yàn)證風(fēng)電機(jī)組安裝，指導(dǎo)真實(shí)生產(chǎn)過程，交付真實(shí)產(chǎn)品，縮短實(shí)體樣機(jī)生產(chǎn)過程。

從要制造什么樣的風(fēng)機(jī)產(chǎn)品，到如何制造風(fēng)機(jī)產(chǎn)品，到何時(shí)何地制造產(chǎn)品，是一個(gè)正向的數(shù)據(jù)流，就是研發(fā)-工藝-制造的過程。對(duì)于工藝條線來(lái)說，設(shè)計(jì)工藝協(xié)同設(shè)計(jì)需求與日俱增，引入工藝過程仿真，支撐裝配過程驗(yàn)證工藝可行性，進(jìn)而優(yōu)化裝配過程，提高制造生產(chǎn)效率。Process Simulate是由一款工藝仿真軟件，可促進(jìn)企業(yè)范圍內(nèi)的制造過程信息協(xié)同共享，減少制造規(guī)劃工作量和時(shí)間，在虛擬環(huán)境中早期驗(yàn)證生產(chǎn)試運(yùn)行及通過在整個(gè)過程生命周期中模仿現(xiàn)實(shí)過程，提高過程質(zhì)量（圖1）。

圖1 數(shù)字化制造整體解決方案示意圖

2 基于工藝仿真的風(fēng)機(jī)數(shù)字化裝配的設(shè)計(jì)方案

2.1 基于 Process Simulate 風(fēng)電的工藝仿真研究

常規(guī)來(lái)講，虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成需要進(jìn)行實(shí)物生產(chǎn)、實(shí)地裝配，生產(chǎn)及安裝過程中有問題反饋給前端，進(jìn)行設(shè)計(jì)更新及工藝升級(jí)。鑒于Process Simulate工藝仿真軟件進(jìn)行風(fēng)電安裝過程的仿真執(zhí)行，閉環(huán)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)干涉檢查，驗(yàn)證工藝步驟。

2.2 工藝仿真的設(shè)計(jì)流程

首先，從正向設(shè)計(jì)思路看，所有的產(chǎn)品都是以市場(chǎng)需求和戰(zhàn)略導(dǎo)向?yàn)轭I(lǐng)航燈，制定產(chǎn)品技術(shù)路線后，按照產(chǎn)品及設(shè)計(jì)需求下發(fā)進(jìn)行相關(guān)零部件及相應(yīng)工藝方案、工裝工具詳細(xì)設(shè)計(jì)，這個(gè)階段都是在數(shù)字化建模設(shè)計(jì)軟件中完成，是虛擬產(chǎn)品狀態(tài)。通過整體數(shù)據(jù)鏈打通建設(shè)，架構(gòu)數(shù)字化工藝體系性，提升研發(fā)效率，縮短設(shè)計(jì)創(chuàng)新時(shí)間，逐步健全工藝資源池，提高知識(shí)重用率，進(jìn)行數(shù)字化樣機(jī)裝配，用仿真的結(jié)果服務(wù)車間及現(xiàn)場(chǎng)，便于制造端操作。

為了完成以上目的，數(shù)字化工藝的實(shí)現(xiàn)路徑為三方面：（1）建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)要求：針對(duì)物料、文檔及相關(guān)工藝設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定，讓大家的起點(diǎn)保持一致；（2）推進(jìn)三維化工藝設(shè)計(jì)，利用設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行工裝工具參數(shù)化設(shè)計(jì)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)計(jì)算強(qiáng)度仿真CAE一體化，用參數(shù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，大大提升工程師工作效率；（3）構(gòu)建模塊化結(jié)構(gòu)化意識(shí)，建設(shè)工藝資源庫(kù)，針對(duì)工裝工具及相關(guān)設(shè)備進(jìn)行物料分類管理，細(xì)化工藝步驟，進(jìn)行結(jié)構(gòu)化工藝試水。

通過前端基于模型的研發(fā)建模體系PDM系統(tǒng)輸出三維模型結(jié)構(gòu)及物料信息至工藝數(shù)字化TCM平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)工藝協(xié)同、結(jié)構(gòu)化工藝、工藝文檔可視化、工藝仿真數(shù)據(jù)協(xié)同管理。由TCM工藝平臺(tái)數(shù)據(jù)，下發(fā)制造MES執(zhí)行系統(tǒng)，完成數(shù)字化工廠應(yīng)用，應(yīng)用工廠物流仿真控制調(diào)整生產(chǎn)節(jié)拍。產(chǎn)品及工藝數(shù)據(jù)在架構(gòu)的數(shù)據(jù)鏈條中貫通形成閉環(huán)迭代反饋數(shù)據(jù)流，完成風(fēng)機(jī)產(chǎn)品數(shù)據(jù)一條龍流轉(zhuǎn)。協(xié)同的數(shù)字化工藝管理平臺(tái)是整體數(shù)據(jù)鏈條中的中轉(zhuǎn)加工站和樞紐，確保數(shù)據(jù)流暢。從前端的工藝規(guī)劃及布局，到針對(duì)工藝過程的仿真驗(yàn)證，到工廠物流配貨工時(shí)效率的仿真模擬，能夠貫穿整個(gè)風(fēng)機(jī)安裝裝配，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)成品的質(zhì)量評(píng)估和安裝效率評(píng)估，驗(yàn)證各種不同的風(fēng)機(jī)裝配工藝方案，確保最優(yōu)方案發(fā)送至現(xiàn)場(chǎng)，提升風(fēng)機(jī)工藝整體質(zhì)量水平。

3 工藝仿真技術(shù)在電氣風(fēng)電的應(yīng)用

工藝過程仿真對(duì)零組件、工裝工具、設(shè)備進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)裝配仿真，自動(dòng)路徑尋優(yōu)，進(jìn)行干涉檢查，同時(shí)，定義人體工作姿態(tài)，進(jìn)行重點(diǎn)難點(diǎn)工序姿態(tài)分析、可視性可達(dá)性、舉升分析、快速上肢受力分析、腰背部受力分析及等。可以提升設(shè)計(jì)一次準(zhǔn)確率，降低設(shè)計(jì)制造成本，縮短新產(chǎn)品研發(fā)迭代周期。進(jìn)行工藝過程仿真，可以在設(shè)計(jì)初期就同步進(jìn)行工藝工裝設(shè)計(jì)及工藝方案設(shè)計(jì)，不斷迭代，在軟件中模擬風(fēng)機(jī)模型裝配、工裝工具與風(fēng)機(jī)裝配、工藝安裝過程等，從而盡早發(fā)現(xiàn)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)干涉，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)工藝協(xié)同，在三維可視化環(huán)境中仿真裝配過程、驗(yàn)證裝配工藝可行性，優(yōu)化制造裝配工藝過程，提升制造部門裝配工藝技術(shù)水平，提高制造生產(chǎn)效率，在早期發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，減少現(xiàn)場(chǎng)重做和返工，提高產(chǎn)品的一次生產(chǎn)正確率。在虛擬環(huán)境中驗(yàn)證新工藝和技術(shù)，節(jié)約制造成本，在樣機(jī)未安裝前閉環(huán)相關(guān)問題；同時(shí)，在工藝設(shè)計(jì)過程中分析、優(yōu)化因人的身高與體重等因素造成的操作使用問題，從人機(jī)工效的角度，解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性、工藝可行性等問題，保護(hù)工人的人身安全和健康。

從數(shù)據(jù)準(zhǔn)備到工藝過程仿真結(jié)果輸出，是一系列仿真標(biāo)準(zhǔn)體系文件及操作規(guī)范的支撐。工藝規(guī)劃輸出結(jié)構(gòu)化工藝結(jié)果，工藝裝配驗(yàn)證輸出仿真分析報(bào)告、干涉分析報(bào)告、工藝時(shí)序圖等，通過人工操作驗(yàn)證，關(guān)注人因過程及操作安全，輸出各項(xiàng)人因健康及安全相關(guān)報(bào)告，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，從設(shè)計(jì)端考慮人員操作安全等。同時(shí)，通過山地路徑建模模擬可模擬風(fēng)電運(yùn)輸過程中葉片舉升車在艱難山路行駛情形，通過實(shí)體NX建模規(guī)劃山地路徑，后續(xù)可通過直升機(jī)3D點(diǎn)云成像直接生成，在軟件中定義舉升車設(shè)備運(yùn)動(dòng)及物流規(guī)劃，通過實(shí)體間最小距離保證葉片翼型與山體不干涉，完成關(guān)鍵路徑葉片舉升車各節(jié)點(diǎn)舉升角度和轉(zhuǎn)彎角度，保證物流運(yùn)輸順暢，提前指導(dǎo)運(yùn)輸?shù)缆芬?guī)劃。車間及風(fēng)場(chǎng)仿真工藝示意圖如圖2。

圖2 車間及風(fēng)場(chǎng)仿真工藝示意圖

4 裝配過程中人因工程的仿真分析

當(dāng)前，隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，對(duì)于操作工人的人性化換壞工藝過程中很重要的就是人機(jī)工程仿真，可以進(jìn)行人體可達(dá)性分析、可視性分析，通過人的視角可視化工具工作狀態(tài)，檢測(cè)工具合適性，人體工程學(xué)分析（姿勢(shì)、疲勞等）分析人體工作時(shí)的舒適性；人體與產(chǎn)品碰撞干涉，優(yōu)化人體工作空間；通過人因工程分析，提供安全的工作環(huán)境保證員工的身心健康。仿真分析完成會(huì)輸出電氣風(fēng)電人體工程學(xué)報(bào)告，針對(duì)工作姿態(tài)、下背部受力、搬運(yùn)受力、可視性分析及快速上肢評(píng)估分別出具相關(guān)報(bào)告，指導(dǎo)設(shè)計(jì)及工藝過程更新。人因分析可以分為以下幾種：

（1）人體姿勢(shì)分析：人體姿勢(shì)分析被認(rèn)為是對(duì)各種工作場(chǎng)景的操作姿態(tài)進(jìn)行人機(jī)分析的有效且容易實(shí)現(xiàn)的方法，因而后來(lái)在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，可快速檢查工作姿態(tài)，評(píng)價(jià)任務(wù)周期內(nèi)所有工作姿態(tài)的舒適度，并指示需要采取糾正措施的緊迫性，從而快速評(píng)估某種工作姿態(tài)對(duì)工人造成損害或傷害的可能性大小，可以確定最需優(yōu)先改進(jìn)的工作姿勢(shì)，以符合人體工程學(xué)的需要。

（2）下背部受力分析：下背部受力分析可以分析特定操作下脊椎受力對(duì)下背部的影響是否符合標(biāo)準(zhǔn)，是否會(huì)令工人下背部的受傷概率增加。分析可以給出哪些任務(wù)最需要進(jìn)行人因方面改進(jìn)，從而對(duì)工廠車間的布局規(guī)劃和工序進(jìn)行安排來(lái)減小員工下背部受損的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）搬運(yùn)受力分析：搬運(yùn)受力分析主要旨在分析員工雙手搬起重物時(shí)的受力情況，得出一個(gè)搬運(yùn)指數(shù)，然后，與允許的搬運(yùn)指數(shù)相比，進(jìn)而了解工人搬運(yùn)過程的動(dòng)作是否合理，以幫助避免或減輕員工背部損傷。

RWL=23kg(25/H)(1-0.003|V-75|)x(0.82+4.5/D)FM(1-0.0032A)CM。

H：搬舉起始或終止時(shí)，手掌中心距兩踝關(guān)節(jié)中間的水平距離(cm)；V：搬舉起始或終止時(shí)，手掌距地面的垂直距離(cm)；D：搬動(dòng)起始與終止時(shí)的垂直距離(cm)；FM：搬動(dòng)頻率參數(shù)(根據(jù)頻率確定不同的系數(shù))；A：偏離矢狀面的角度(度)；CM：物體易抓參數(shù)(根據(jù)難易確定為 1.0，0.95，0.90)。

(提舉指數(shù))：LI=實(shí)際提舉重量/RWL。

如果LI(提.舉指數(shù))大于1.0，提示當(dāng)前工作狀態(tài)可能構(gòu)成對(duì)作業(yè)人群的危害。

如果LI(提舉指數(shù))大于3.0，則危害明顯增加。

（4）快速上肢評(píng)估：快速上肢評(píng)估評(píng)估是否需要干預(yù)以降低因體力負(fù)荷而造成傷害的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于手動(dòng)任務(wù)，RULA：根據(jù)姿勢(shì)、肌肉使用、負(fù)載重量、任務(wù)持續(xù)時(shí)間和頻率評(píng)估上肢受傷的風(fēng)險(xiǎn)。為評(píng)估的任務(wù)分配一個(gè)分?jǐn)?shù)，表明降低傷害風(fēng)險(xiǎn)所需的干預(yù)程度。

RULA可用于：

①快速評(píng)估手動(dòng)任務(wù)是否有可能使工人面臨上肢受傷的風(fēng)險(xiǎn)。

②設(shè)計(jì)新的手動(dòng)任務(wù)或指導(dǎo)重新設(shè)計(jì)現(xiàn)有任務(wù)。

③確定需要最緊急關(guān)注以進(jìn)行人體工程學(xué)修改的手動(dòng)任務(wù)并確定其優(yōu)先級(jí)。

綜上，用實(shí)際數(shù)據(jù)的結(jié)果，從各個(gè)方面去評(píng)估人因水平，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)整改，提升風(fēng)電整體裝配人因關(guān)懷度，完成工藝精細(xì)化及人性化深入發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過Process simulate工藝仿真軟件在風(fēng)電工藝領(lǐng)域仿真設(shè)計(jì)中應(yīng)用特點(diǎn)及仿真設(shè)計(jì)流程進(jìn)行說明，探討了其在風(fēng)電工藝仿真領(lǐng)域探索的應(yīng)用，通過車間裝配、風(fēng)場(chǎng)安裝、物流運(yùn)輸、人因動(dòng)作等仿真過程，最后得到仿真分析報(bào)告、干涉分析報(bào)告、工序人因報(bào)告、工藝時(shí)序圖等仿真結(jié)果。實(shí)踐案例完善了風(fēng)電領(lǐng)域工藝仿真的技術(shù)應(yīng)用，開拓了風(fēng)電工藝仿真技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用新業(yè)務(wù)場(chǎng)景，為提高和優(yōu)化風(fēng)電行業(yè)工藝的效率提供新方法，為風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展提供理論依據(jù)。