美歐軍工領域發(fā)力數字孿生技術應用

本刊編輯部 / 文

數字孿生技術以數字化方式創(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、數據融合分析、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鍵技術之一。數字孿生技術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)裝備研制生產與維修保障中得以應用，并開始取得一定實效。

加強數字孿生技術戰(zhàn)略布局

在國家戰(zhàn)略層面，美國國家數字化制造與設計創(chuàng)新機構將數字孿生技術列為2018年戰(zhàn)略投資重點：一是研究并構建工廠的數字孿生試點，應用數字孿生建模方法仿真工廠實際環(huán)境，預測生產效率、分析時間進度或制造資源變化的影響、根據現(xiàn)場工藝數據優(yōu)化生產流程，大幅提高工廠生產效率；二是研究構建供應鏈數字的孿生模型，權衡分析與供應鏈相關的時間、成本、產品復雜性、庫存等信息，使供應鏈效率達到最優(yōu)；三是宣傳推廣數字孿生技術應用。該創(chuàng)新機構由美國國防部牽頭組建，是國家制造創(chuàng)新網絡計劃14個創(chuàng)新機構之一，其投資方向代表了美國政府和軍方的關注重點。

在企業(yè)戰(zhàn)略層面，2017年6月，洛馬公司提出名為“Product Digiverse”的新一代數字化技術發(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字化模型連接，構建物理世界的鏡像模型。這一理念的本質即數字孿生技術。11月，洛馬公司將數字孿生技術列為2018年度影響軍工領域的六大頂尖技術之首。空客公司也將數字孿生技術作為實施數字化戰(zhàn)略、構建“未來工廠”的重要內容。

軍工領域應用取得一定實效

洛馬、諾格、空客等軍工巨頭積極推進數字孿生技術的實際應用，涉及武器系統(tǒng)設計研發(fā)、生產制造、運行維護幾個應用方向，代表了目前數字孿生技術發(fā)展的先進水平。

用于武器系統(tǒng)設計研發(fā)

通過建立產品數字孿生模型，在零部件生產前即可預測成品質量、識別設計缺陷，并在數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)公司針對復雜產品創(chuàng)新設計，建立了基于數字孿生技術的3DExperience平臺，利用用戶交互反饋的信息不斷改進產品的數字化設計模型，并反饋到物理實體產品中。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。

用于武器系統(tǒng)生產制造

通過建立生產現(xiàn)場資源和環(huán)境的數字孿生模型，可優(yōu)化制造流程、合理配置制造資源、減少設備停機時間，進而提高生產資源利用率、降低生產成本。

2016年，諾格公司利用數字孿生技術改進了F-35戰(zhàn)斗機機身生產中劣品的處理流程。新流程可自動采集零部件數據并精準映射到數字孿生模型，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字孿生技術的“智能空間平臺”，將實際生產數據映射到數字孿生模型中，并與制造執(zhí)行和規(guī)劃系統(tǒng)相連，提前規(guī)劃和調配制造資源，從而全面優(yōu)化生產過程。據估計，應用數字孿生等新技術后，每架F-35戰(zhàn)斗機生產周期將從目前的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飛機增產提效，開始在法國圖盧茲工廠構建總裝線數字孿生模型?？湛凸驹陉P鍵工裝、物料、零部件上安裝無線射頻識別系統(tǒng)，建立裝配線的數字孿生模型，實現(xiàn)對數萬平方米空間和數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字孿生技術。

用于武器系統(tǒng)運行維護

數字孿生技術在對產品運行狀態(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建了F-15C戰(zhàn)斗機機體的數字孿生模型，用于管理機體殘余應力、幾何結構、有效載荷、材料微結構等，進而預測結構組件的使用壽命，據此調整結構組件檢修、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字孿生解決方案。

總體來說，目前針對數字孿生技術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合各自發(fā)展需求積極開發(fā)數字孿生解決方案?？梢灶A見，學術界、生產企業(yè)、軟件提供商等多方力量的聯(lián)合發(fā)力，將加快推動數字孿生技術在武器裝備設計、制造、運維等全過程獲得更大范圍、更高層級的應用，使產品創(chuàng)新、制造效率、可靠性水平提升到新的高度。