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智能制造難點在模型,焦點在仿真

智能制造難點在模型,焦點在仿真

2016/9/12 10:06:42

  中國講兩化融合,第一個化是工業(yè)化,即工業(yè)技術(shù)(Industry Technology),由于中國的工業(yè)技術(shù)與世界先進水平差距較大,因此我們要補工業(yè)化的課;第二個化是信息化,即信息技術(shù)(Information Technology),因為有華為這樣的世界一流公司,可以說,中國的信息技術(shù)和世界是接軌的。實際上,信息技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的深度融合就是兩化融合。兩化融合內(nèi)容非常豐富。按照中國制造2025的部署,就是創(chuàng)新驅(qū)動、提質(zhì)增效、綠色發(fā)展、兩化深度融合為主線、智能制造為突破口。

  智能制造的基礎是網(wǎng)絡化和數(shù)字化。網(wǎng)絡化的含義是連接人、機、物,也就是物聯(lián)網(wǎng)或者工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),也稱為第二代互聯(lián)網(wǎng)。提起數(shù)字化就離不開數(shù)字模型和過程仿真,本文將主要論述這兩方面。當然,數(shù)字模型是仿真的基礎,過程仿真是航空航天大規(guī)模應用幾十年來特別擅長的領域,也是取得巨大成效的領域。

  數(shù)字模型

  數(shù)字模型有兩類,一類是工程模型,另一類是管理模型。其中,工程模型也分為兩類:產(chǎn)品模型和產(chǎn)品研制過程模型。本文重點研究產(chǎn)品模型和過程仿真。CAD(Computer Aided Design)技術(shù)是建立模型,CAE(Computer Aided Engineering)技術(shù)就是模型的確認,即過程仿真。CAE的發(fā)展一直隨著計算機的硬件、軟件、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫的發(fā)展而壯大。工業(yè)技術(shù)通常分為設計、制造和試驗三大類,從產(chǎn)品需求和市場調(diào)研開始,就可以做仿真,做方案設計時也要做仿真,做方案的特點是方案不止一種,做方案時要用多種方案來做優(yōu)化設計,并且要做大量的仿真對比,然后進入工程研制階段的設計、試制、試驗過程,再進行工程研制完成以后的設計定型,生產(chǎn)定型,批量生產(chǎn),產(chǎn)品交付,最后到服務保障。整個工業(yè)體系中,仿真必不可少。

  傳統(tǒng)的工業(yè)體系是物理或者叫實體(Physical),基于物理的原型和模型,設計制造試驗,如果試驗時檢測產(chǎn)品的功能和性能滿足不了要求,就扔掉,然后再來一遍,這就是典型的以愛迪生為代表的傳統(tǒng)工業(yè)體系的試錯法。當進入了現(xiàn)代工業(yè)社會,就要在 Cyber虛擬空間用模型表達, CAD做機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)、流體模型和過程模型,當然,管理也有模型,如人力資源模型、財務模型、統(tǒng)計模型、質(zhì)量模型。有了模型,才有了美國機械工程師學會(ASME)提出的Y14.41標準,即 MBD(Model-Based Definition,基于模型的定義),后來美國又提出MBE(Model-Based Enterprise,基于模型的企業(yè)),這樣就完整了。一個企業(yè),它既有產(chǎn)品又有管理,就可以打造一個全數(shù)字化的企業(yè)。還有系統(tǒng)工程,過去的系統(tǒng)工程現(xiàn)在提升為MBSE(Model-Based Systems Engineering,基于模型的系統(tǒng)工程),當然基于模型的系統(tǒng)工程之上還有架構(gòu)設計,如企業(yè)架構(gòu)等。

  在Cyber空間中,有了完整的數(shù)字模型進入CPS(Cyber Physical System,賽博物理系統(tǒng)),模型就會直接從數(shù)字樣機映射成物理產(chǎn)品。當然,試驗方式要有一個轉(zhuǎn)變,原先的試驗方式是100%的實物模型,做實物仿真或縮比模型,隨著社會的發(fā)展,實物仿真造價太高,那么該怎么辦?要考慮半實物模型、縮比模型、半實物仿真和半物理仿真嗎?未來隨著發(fā)展,一定是基于全數(shù)字模型的虛擬仿真,現(xiàn)在很多產(chǎn)品已經(jīng)不需要物理模型了,而是設計制造試驗實現(xiàn)全模型化。

  仿真分級

  講到智能,必須考慮人的問題。世界萬物,只有人有智能。第一次、第二次工業(yè)革命解決了什么問題?蒸汽機也好,電動機也好,解決的是機器取代人力。第三次、第四次工業(yè)革命出現(xiàn)了電腦和現(xiàn)在的工業(yè)4.0,它取代的是人的腦力勞動。我們要建設的工業(yè)體系,一定是人、機、物交互與深度融合的一個體系,其核心是CPS。

  如何建立新的工業(yè)體系?首先是在Cyber環(huán)境中,完成產(chǎn)品的概念設計、方案設計、初步設計、詳細設計、產(chǎn)品的分析仿真、工藝設計、工藝仿真、工裝設計、工裝仿真、裝配設計、裝配仿真等一系列流程,然后形成完整的產(chǎn)品數(shù)字樣機。其次是在計算機上建立的虛擬實驗環(huán)境中,不斷地找出產(chǎn)品設計的問題、工藝的問題等,然后改進計算機模型。最后是再映射實物的試驗過程,這個就是Cyber Physical System,即完整的CPS架構(gòu)。但需要說明的是,CPS可小可大,小到一個智能化小產(chǎn)品PLC處理器,大到整個地球,都可以用CPS來形容,這個智能系統(tǒng)一定是人、機、物關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)。

  1997年9月,錢學森在給清華大學工程力學系建系40周年的賀信中寫道:隨著力學計算能力的提高,用力學理論解決設計問題成為主要途徑,而試驗手段則變得次要了。由此,展望21世紀,“力學+電子計算機”將成為工程設計的主要手段,就連工程型號研制也是用“計算機+形象”來展示,稱為“虛擬型號研制(Virtual Prototyping)”,就是現(xiàn)在所說的數(shù)字樣機(Data Prototype)。

  以液壓虛擬鐵鳥的研制為例。首先用機械CAD和CAE設計了鐵鳥的結(jié)構(gòu)樣機,用電子CAD和CAE設計了鐵鳥的控制系統(tǒng)數(shù)字樣機,由液壓系統(tǒng)CAD和CAE形成液壓子系統(tǒng)的數(shù)字樣機,然后再把控制數(shù)字樣機和液壓數(shù)字樣機裝配到結(jié)構(gòu)數(shù)字樣機上。這3個樣機形成了一個完整的全飛機液壓系統(tǒng)的數(shù)字樣機,將其和物理液壓試驗的臺架、試驗數(shù)據(jù)做關(guān)聯(lián)性分析,最后形成了一個液壓的虛擬鐵鳥。這個系統(tǒng)完成后,在其上做虛擬試驗,可減少20%的物理試驗成本。實際上在下一代飛機中,虛擬鐵鳥技術(shù)已經(jīng)推廣到了飛控系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、電子系統(tǒng)、機械系統(tǒng)中,這就是過程仿真的力量。

  筆者認為,仿真的發(fā)展才剛剛開始,因此這個行業(yè)是朝陽行業(yè)。其目標是:縮短產(chǎn)品周期,降低產(chǎn)品成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量。未來的研制方式就是仿真驅(qū)動的設計和研制方式。

  通過對數(shù)字樣機的仿真分析和虛擬試驗來指導、簡化、減少、替代部分實物試驗,從根本上說,就是要解決計算的數(shù)字模型和分析是否正確,是否反映真實產(chǎn)品的特性,這必須通過大量的、科學的驗證試驗并形成數(shù)據(jù)庫和模型庫,從而改進并保證產(chǎn)品設計和分析的正確性。

審核編輯(
王靜
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