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        產(chǎn)品設計域數(shù)字孿生模型演化過程及方法研究

        2023-11-09 01:04:02李宏宇康獻民謝啊奮陳堯黃光潤
        機床與液壓 2023年19期
        關鍵詞:概念模型產(chǎn)品設計電梯

        李宏宇,康獻民,謝啊奮,陳堯,黃光潤

        (五邑大學智能制造學部,廣東江門 529020)

        0 前言

        2021年3月,國家“十四五”規(guī)劃綱要明確提出要“探索建設數(shù)字孿生城市”,為建設數(shù)字孿生城市提供了國家戰(zhàn)略指引。數(shù)字孿生技術是通過數(shù)字化重構(gòu)物理世界中的實體,目的是映射物理世界中的實體?;诖四M和復現(xiàn)物理世界中實體的動態(tài)和性能,進而將它應用于設備設計與制造,實現(xiàn)調(diào)試與維護?,F(xiàn)階段,在設計域數(shù)字孿生技術研究方面,文獻[1]分析了現(xiàn)有智能產(chǎn)品概念結(jié)構(gòu)技術系統(tǒng)的不足,針對其設計需求,提出以創(chuàng)新設計為目標,構(gòu)建了一種產(chǎn)品數(shù)字孿生體功能模型方法,實驗結(jié)果表明:該方法可以有效展示其概念結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)技術系統(tǒng)問題并改進。文獻[2]針對工業(yè)鍋爐設計過程的優(yōu)化問題,結(jié)合工業(yè)鍋爐設計和數(shù)字孿生技術,以設計過程優(yōu)化為核心、數(shù)字孿生為基礎提出新的設計思路,并構(gòu)建了數(shù)字孿生驅(qū)動工業(yè)鍋爐數(shù)字化設計技術框架,為數(shù)字孿生技術在數(shù)字化設計的應用提供一定的思路和參考。文獻[3]針對物理產(chǎn)品設計和制造過程中的數(shù)字孿生建模需求,提出基于表面造型概念的綜合參考模型,詳細介紹了相關概念、表達方法以及在產(chǎn)品生命周期中的應用。文獻[4]將數(shù)字孿生技術和TRIZ結(jié)合應用在概念設計階段,提取設計過程中重要參數(shù)并將參數(shù)的演化應用于數(shù)字孿生技術中,服務于產(chǎn)品全生命周期,并以設計立體車庫的實例說明了該方法的有效性與科學性。文獻[5]討論了復雜產(chǎn)品設計和制造信息物理融合的問題,構(gòu)建了基于數(shù)字孿生技術復雜產(chǎn)品環(huán)形設計框架,分析了數(shù)字孿生技術在復雜產(chǎn)品設計制造一體化應用方法。文獻[6]在數(shù)字孿生模型構(gòu)建方面,首先分析需求并提出了系統(tǒng)原理與功能結(jié)構(gòu),利用OPC UA技術構(gòu)建了通信網(wǎng)絡架構(gòu),完成了實時數(shù)據(jù)對虛擬模型的實時映射。文獻[7]針對復雜產(chǎn)品設計階段多學科協(xié)同性差、研發(fā)成本高問題,將數(shù)字孿生的理念引入到復雜機械產(chǎn)品多學科協(xié)同設計中,提出產(chǎn)品數(shù)字孿生技術協(xié)同設計建模架構(gòu),并以具體實例證明該理論及優(yōu)化方法的有效性,為數(shù)字孿生技術的產(chǎn)品設計和制造應用提供了一定參考價值。

        根據(jù)設計理論與數(shù)字孿生概念,本文作者提出產(chǎn)品設計域數(shù)字孿生模型演化方法,并以曳引式電梯為例進行驗證。首先,通過對電梯用戶的需求分析與電梯概念模型演化、結(jié)構(gòu)模型演化與模型演化獲得初步的電梯數(shù)字孿生模型;其次,完成電梯虛擬模型的運動動力學仿真與物理電梯數(shù)據(jù)的采集;再次,通過對振動仿真數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)對比完成參數(shù)模型驗證;最終得到合理的數(shù)字孿生電梯模型。

        1 設計域數(shù)字孿生模型演化架構(gòu)

        在數(shù)字孿生模型的設計階段,為了減少用戶對需求產(chǎn)品的開發(fā)與后期模型優(yōu)化的成本,結(jié)合數(shù)字孿生基本概念以及研發(fā)設計、生產(chǎn)階段、產(chǎn)品階段、使用維護階段的概念,提出了設計域數(shù)字孿生演化方法,如式(1)所示:

        DDT=(DA,CMe,SMe,PMe,MV)

        (1)

        式中:DA表示需求分析;CMe表示概念模型演化;SMe表示結(jié)構(gòu)模型演化;PMe表示參數(shù)模型演化;MV表示數(shù)字孿生模型驗證[8]。

        對設計域的數(shù)字孿生技術進行了以下定義:設計域的數(shù)字孿生技術是指根據(jù)產(chǎn)品需求以及充分利用的歷史數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗等數(shù)據(jù)基礎上,對產(chǎn)品在“概念模型演化-結(jié)構(gòu)模型演化-參數(shù)模型演化”三域中分別實現(xiàn) “設計-評價-反饋-迭代”的封閉循環(huán),并最終生成詳細的產(chǎn)品設計方案來滿足用戶需求。根據(jù)上述定義,建立機電產(chǎn)品設計域數(shù)字孿生模型演化架構(gòu),如圖1所示。

        圖1 設計域數(shù)字孿生模型演化架構(gòu)

        在設計域數(shù)字孿生模型演化架構(gòu)中,將機電產(chǎn)品的設計過程分為5個部分,分別為:需求分析、概念模型演化、結(jié)構(gòu)模型演化、參數(shù)模型演化與基于歷史數(shù)據(jù)的設計域數(shù)字孿生模型驗證。首先,在需求分析階段(DA)分析需要建立數(shù)字孿生體的機電產(chǎn)品用戶的需求,并將分析生成的需求模型提供給概念模型演化過程,在概念模型演化(CMe)過程中經(jīng)過評價迭代生成合理的概念模型;再將概念模型進行理論計算,與結(jié)構(gòu)計算生成基本結(jié)構(gòu)模型,并在結(jié)構(gòu)模型演化(SMe)過程中經(jīng)過迭代優(yōu)化,最終經(jīng)過評價獲得合理的結(jié)構(gòu)模型;最后結(jié)構(gòu)模型通過參數(shù)模型演化(PMe)過程中的迭代優(yōu)化與評價生成合理的參數(shù)模型。得到初步的機電產(chǎn)品數(shù)字孿生模型后,將物理實體的監(jiān)測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進行對比并查看誤差情況,若誤差過大則回到需求分析階段進行修改與循環(huán),反之則獲得合理的數(shù)字孿生體。以機電產(chǎn)品曳引式電梯為研究對象,完成并驗證電梯設計域數(shù)字孿生模型演化架構(gòu)。

        2 設計域數(shù)字孿生模型演化過程

        2.1 面向電梯產(chǎn)品的需求分析

        因為用戶需求模糊性、多樣性的特點,因此直接收集到的用戶數(shù)據(jù)無法用于分析和設計。在得到電梯用戶需求數(shù)據(jù)后,為建立電梯的用戶需求模型,引入需求元的概念對用戶需求進行表達[9]。

        構(gòu)成用戶需求模型的用戶需求元具有一定的層次性,并且相互關聯(lián)。在此基礎上,通過分析某些用戶需求的特點,可以用層次樹來表達電梯產(chǎn)品的層次結(jié)構(gòu)?;谕負浣Y(jié)構(gòu)的用戶需求模型添加需求類別可以對需求元進行分組,使用戶需求模型看起來更加直觀,便于設計人員理解和使用。在構(gòu)建用戶需求模型時,使用需求元素表示原始的用戶需求描述,然后根據(jù)需求類別對需求進行分類,并根據(jù)上述方法對復合需求元進行分解,從而獲得一系列粒度不同的子需求元,然后根據(jù)需求的層次和關聯(lián)關系對需求進行組織,從而使用戶需求模型層次結(jié)構(gòu)清晰、易于理解。圖2所示為基于拓撲結(jié)構(gòu)的用戶需求模型。

        圖2 基于拓撲結(jié)構(gòu)的用戶需求模型

        圖2中,分解處理所得需求元層只有一層需求元,帶箭頭的實線標識了用戶總體需求與各原需求元之間的組成關系,帶箭頭的虛線由原用戶需求元指向分解處理所得到的用戶需求元,標識了用戶需求元之間的分解處理關系。根據(jù)該需求模型的拓撲結(jié)構(gòu)對其中的需求元、需求類別進行編號。以用戶評論數(shù)據(jù)中某用戶的需求作為輸入,得到圖3所示某用戶的需求模型[10]。

        2.2 概念模型演化

        為了更好地處理曳引式電梯概念模型演化過程中大量的用戶數(shù)據(jù)以及功能運行、設計及驗證評價等步驟的相互關系,在電梯設計域中應用數(shù)字孿生思想設計概念模型,提出了基于SysML虛擬運行的產(chǎn)品設計域?qū)\生概念模型構(gòu)建和演化方法[11-12]。圖4所示為電梯設計域數(shù)字孿生概念模型演化框架。

        圖4 電梯設計域數(shù)字孿生概念模型演化框架

        為了更好地處理機電產(chǎn)品設計域中大量用戶數(shù)據(jù)、功能運行、設計及驗證驗證目標產(chǎn)品的概念模型,在機電產(chǎn)品設計域中應用數(shù)字孿生思想設計概念模型,提出了基于SysML虛擬運行的產(chǎn)品設計域?qū)\生概念模型構(gòu)建和演化的方法。首先,以需求模型為切入點,獲取用戶新需求、歷史數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗;其次,進一步細化需求、活動分析和分解功能,構(gòu)建產(chǎn)品的功能模型,在邏輯架構(gòu)和形態(tài)學矩陣下進行組件分配,形成初步概念模型,最后通過合理的評價方法進行優(yōu)化迭代并反饋為合理的概念模型,如圖5所示。

        2.3 結(jié)構(gòu)模型演化

        圖6所示為電梯結(jié)構(gòu)模型演化過程,需求分析通過概念模型演化得到了概念模型,再經(jīng)過詳細理論計算和結(jié)構(gòu)設計得出基本結(jié)構(gòu)模型[13]。按照結(jié)構(gòu)模型基本評價指標進行綜合評價,其結(jié)果依據(jù)評價標準判斷是否進行下一步,如果其結(jié)果不滿足要求則返回,繼續(xù)進行結(jié)構(gòu)模型設計,直到結(jié)果符合要求才進行控制系統(tǒng)設計。最后,基于數(shù)字孿生相關技術中的虛擬調(diào)試技術[14],對電梯進行控制程序驗證和運動學的位移、速度和加速度參數(shù)的提取,按照運動學評價指標進行評價,其結(jié)果依據(jù)評價標準判斷是否進行下一步,如果結(jié)果不滿足要求則返回,繼續(xù)進行結(jié)構(gòu)模型設計,直到結(jié)果符合要求才確定最終的合理結(jié)構(gòu)模型。其結(jié)構(gòu)模型與虛擬調(diào)試過程如圖7、8所示。

        圖8 虛擬調(diào)試過程

        2.4 參數(shù)模型演化

        設計域數(shù)字孿生模型參數(shù)模型演化過程如圖9所示,通過概念模型和結(jié)構(gòu)模型兩大演化過程得到了結(jié)構(gòu)模型,通過需求分析建立評價指標和確定權重的評價方法。將不同的參數(shù)模型仿真獲取的數(shù)據(jù)匯總,選擇出參數(shù)模型,其結(jié)果依據(jù)評價標準判斷是否進行下一步,如果評價的結(jié)果不滿足要求則返回繼續(xù)進行參數(shù)模型設計,直到結(jié)果符合要求才確定最終的合理參數(shù)模型,最后確定設計域的數(shù)字孿生模型。

        圖9 設計域數(shù)字孿生模型參數(shù)模型演化過程

        3 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的參數(shù)模型驗證

        通過概念、結(jié)構(gòu)與參數(shù)模型演化得到曳引式電梯數(shù)字孿生模型,通過對比轎廂運行中所產(chǎn)生的振動狀況來驗證孿生模型。在相同環(huán)境條件下,通過2種方法采集電梯運行數(shù)據(jù):一種是利用傳感器對物理實體電梯進行速度、加速度與振動數(shù)據(jù)采集;第二種是仿真獲得振動數(shù)據(jù),通過2種數(shù)據(jù)對比、分析并驗證孿生模型及演化的可行性。

        3.1 運動學仿真

        對電梯虛擬模型進行運動學仿真,以獲得電梯在不同加速度下的位移、速度和加速度數(shù)據(jù)曲線[15],如圖10所示。

        3.2 動力學仿真

        由于電梯鋼絲繩屬于柔性體,因此使用離散法對鋼絲繩進行建模[16],圖11所示為鋼絲繩各離散單元之間、離散單元與曳引輪之間的約束與受力關系。

        圖11 鋼絲繩曳引輪約束關系

        根據(jù)實際物理電梯額定載質(zhì)量,選擇仿真電梯載質(zhì)量為200 kg,以運動仿真所得到的運行曲線作為輸入,對數(shù)字孿生電梯模型的振動情況進行仿真。仿真結(jié)果如圖12所示。

        圖12 電梯轎廂振動曲線

        由圖12可知:電梯轎廂垂直振動加速度的最大值為218.30 mm/s2,A95值為417.08 mm/s2;水平振動加速度的最大值為181.18 mm/s2,A95值為339.20 mm/s2。其中A95振動峰峰值是指在規(guī)定的范圍內(nèi)95%振動的峰峰值所低于的振動峰峰值。

        3.3 物理模型監(jiān)測數(shù)據(jù)對比驗證

        參與測試的實際物理電梯額定最大載質(zhì)量為1 600 kg,實際測量時電梯載質(zhì)量與仿真模型載質(zhì)量一致,均為200 kg,實際測量曳引式電梯振動情況如圖13所示。

        圖13 電梯實體振動情況

        由圖13可知:電梯轎廂垂直振動加速度的最大值為197.94 mm/s2,A95 值為371.29 mm/s2;水平振動加速度的最大值為166.92 mm/s2,A95 值為269.16 mm/s2。與仿真曲線相比誤差較大,分別為10.30%、12.33%、8.54%、26.02%,由于特征數(shù)據(jù)誤差較大,故可以推斷出此數(shù)字孿生體不符合要求。再根據(jù)設計域數(shù)字孿生演化方法對迭代優(yōu)化后產(chǎn)生的數(shù)字孿生模型進行仿真,獲得了圖14所示的振動情況。

        圖14 優(yōu)化后數(shù)字孿生模型振動仿真曲線

        在圖14中,電梯轎廂垂直振動加速度的最大值為205.69 mm/s2,誤差為3.90%,A95值為359.09 mm/s2,誤差為3.29%;水平振動加速度的最大值為150.26 mm/s2,誤差為9.98%,A95值為256.65 mm/s2,誤差為4.64%。與迭代優(yōu)化前的數(shù)字孿生模型相比,誤差有明顯降低,并與物理實體電梯的振動曲線更加吻合,由此可證明所提出的設計域數(shù)字孿生演化方法的可行性。

        4 結(jié)論

        為了解決如今機電產(chǎn)品需求多樣化、動態(tài)需求適應性差、設計階段離散、設計周期長等問題,用數(shù)字孿生相關技術對機電產(chǎn)品設計階段的研發(fā)設計進行了研究,提出了一種以需求分析-概念模型演化-結(jié)構(gòu)模型演化:參數(shù)模型演化作為設計域數(shù)字孿生模型演化方法的思路,并分別在各個演化過程中加入了迭代優(yōu)化過程,以此獲得數(shù)字孿生模型,最終根據(jù)該模型獲得仿真數(shù)據(jù),測得實際數(shù)據(jù)后,將兩者進行對比完成數(shù)字孿生模型驗證,并根據(jù)誤差結(jié)果來判斷是否進行優(yōu)化。

        為了驗證所提出的設計域數(shù)字孿生模型演化方法的可行性,以機電產(chǎn)品曳引式電梯為研究對象,首先,分別對該演化方法的各個部分進行了解釋,并通過建立電梯的需求模型、概念模型、結(jié)構(gòu)模型與參數(shù)模型完成了電梯數(shù)字孿生模型的創(chuàng)建;其次,對該模型進行了運動動力學仿真以獲得其振動參數(shù);最后,通過實際電梯振動數(shù)據(jù)與仿真振動數(shù)據(jù)的對比、優(yōu)化,獲得了更加精確的數(shù)字孿生模型,驗證了所提出的演化方法的可行性。

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