基于數(shù)字孿生概念的實(shí)驗(yàn)探究

曹玉法，王洪申，鄭成凱

(蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

數(shù)字孿生 (digital twin, DT) 是通過(guò)物理模型、傳感器采集、運(yùn)行歷史等大量數(shù)據(jù)，涵蓋多學(xué)科、多物理量、多空間和時(shí)間尺度、多概率的實(shí)時(shí)仿真過(guò)程[1-3]，它通過(guò)在系統(tǒng)的各個(gè)部分布置大量的傳感器，收集大量的真實(shí)數(shù)據(jù)，并通過(guò)這些數(shù)據(jù)對(duì)真實(shí)的物理實(shí)體進(jìn)行建模與分析，在虛擬的空間中將物理實(shí)體以數(shù)字化模型的形式映射出來(lái)，從而可以根據(jù)數(shù)字化模型的全生命周期過(guò)程反映相對(duì)應(yīng)物理實(shí)體的實(shí)時(shí)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(shí)體在各個(gè)維度的精確數(shù)據(jù), 對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和模擬仿真[5], 實(shí)時(shí)反映物理實(shí)體的實(shí)際情況, 并通過(guò)虛實(shí)之間的數(shù)據(jù)和信息交互接口對(duì)物理實(shí)體進(jìn)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(rèn)知的不斷加深而深化, 主要經(jīng)歷了3個(gè)階段[7]：①數(shù)字樣機(jī)階段。數(shù)字樣機(jī)是數(shù)字孿生的最初形態(tài), 是對(duì)機(jī)械產(chǎn)品整機(jī)或者具有獨(dú)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(duì)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(duì)象方面，廣義數(shù)字孿生將涉及范圍進(jìn)行了大規(guī)模延伸, 從產(chǎn)品擴(kuò)展到產(chǎn)品之外的更廣泛領(lǐng)域。世界著名的技術(shù)咨詢公司 Gartner 連續(xù)三年將數(shù)字孿生列為十大技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一[8]，其對(duì)數(shù)字孿生主要描述為：數(shù)字孿生是現(xiàn)實(shí)世界實(shí)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(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建與測(cè)試方法

數(shù)字孿生是對(duì)單個(gè)產(chǎn)品的全面數(shù)字化表示。它通過(guò)模型和數(shù)據(jù)包括現(xiàn)實(shí)對(duì)象的屬性、條件和行為。數(shù)字孿生體是一組真實(shí)的模型，可以模擬其在部署環(huán)境中的實(shí)際行為。為了驗(yàn)證這個(gè)的概念，本文開(kāi)發(fā)了一個(gè)彎曲梁實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

實(shí)驗(yàn)臺(tái)由1個(gè)雙線軌精密滾珠絲杠直線滑臺(tái)、1個(gè)單點(diǎn)式壓力傳感器、57步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)控制器、1個(gè)直流開(kāi)關(guān)電源及若干線材、鋁合金搭建的框架構(gòu)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(dòng)器；4—步進(jìn)電機(jī)；5—滾珠絲杠滑臺(tái)；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(cè)試方法

物理孿生體由1個(gè)雙線軌精密滾珠絲杠直線滑臺(tái)、1個(gè)壓力傳感器構(gòu)成。測(cè)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(shí)驗(yàn)臺(tái)上，另一端安裝在滑臺(tái)的滑塊上。在控制器中輸入多次位移值，使控制滑塊進(jìn)行不同的位移，并在相關(guān)軟件中實(shí)時(shí)記錄傳感器顯示不同的壓力值。

在本實(shí)驗(yàn)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(rèn)為剛性的。下一階段將進(jìn)行多體仿真與有限元法仿真相結(jié)合，以準(zhǔn)確反映整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)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(shí)物理實(shí)體的狀態(tài)和參數(shù)信息可以通過(guò)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(gè)環(huán)節(jié)的圖像數(shù)字化與物理實(shí)體模型保持一致，進(jìn)而使CPS能夠更好地實(shí)現(xiàn)用戶動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)地評(píng)估系統(tǒng)的當(dāng)前及未來(lái)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(guò)儀表盤查看彎曲梁的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

開(kāi)始實(shí)驗(yàn)時(shí)，打開(kāi)測(cè)量彎曲力的實(shí)時(shí)記錄軟件。在控制器中輸入最終的位移參數(shù)，線性驅(qū)動(dòng)器控制滑臺(tái)到達(dá)指定位置。數(shù)字孿生使用真實(shí)的力或位移值，以啟動(dòng)一個(gè)全自動(dòng)有限元分析。計(jì)算結(jié)果通過(guò)代理推回到CPS，在那里與物理結(jié)果進(jìn)行比較(圖4)。

圖4 物理實(shí)體與數(shù)字孿生體關(guān)聯(lián)圖

2 數(shù)據(jù)對(duì)比與實(shí)驗(yàn)分析

2.1 數(shù)據(jù)對(duì)比

本實(shí)驗(yàn)采用6個(gè)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(shí)驗(yàn)主要從兩個(gè)方面進(jìn)行比較，一是應(yīng)力，二是應(yīng)變。物理實(shí)體上(指的是試件)的應(yīng)力由傳感器測(cè)得，應(yīng)變由線性驅(qū)動(dòng)器控制；而數(shù)字孿生體上的應(yīng)力、應(yīng)變則是由ANSYS對(duì)試件分析而來(lái)(圖5)。

圖5 試件ANSYS分析圖

物理實(shí)體測(cè)試與數(shù)字孿生體測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)對(duì)比表

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

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

測(cè)試臺(tái)目前只是從應(yīng)力、應(yīng)變兩個(gè)方面進(jìn)行探究，下一步將會(huì)從試件的轉(zhuǎn)矩以及在產(chǎn)生形變過(guò)程中能量的變化等方面進(jìn)行比對(duì)。從試件的內(nèi)、外兩部分進(jìn)行分析，從而更清楚地了解試件的工作狀態(tài)。通過(guò)選取不同的材料，再?gòu)母鱾€(gè)方面收集大量的數(shù)據(jù)，從而精確地對(duì)數(shù)字孿生進(jìn)行驗(yàn)證。另外需要明確的是，實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟皇怯?jì)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(shí)際的系統(tǒng)當(dāng)中，從彎曲梁這個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)中，很容易將這個(gè)概念推廣到各個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際系統(tǒng)中。通過(guò)對(duì)各種傳感器的集成以及對(duì)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(wú)處不在的計(jì)算機(jī)集成已經(jīng)是社會(huì)和工業(yè)的主要發(fā)展趨勢(shì)。然而為單個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)數(shù)字孿生仍然是一項(xiàng)耗時(shí)的手工任務(wù)。為了能夠?yàn)槿魏萎a(chǎn)品或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生，需要自動(dòng)生成通用模型。

3 結(jié)語(yǔ)

為了驗(yàn)證數(shù)字孿生的概念，開(kāi)發(fā)了彎曲梁實(shí)驗(yàn)臺(tái)。目前的設(shè)置仍存在局限性，有待進(jìn)一步研究。下一步是建模并實(shí)現(xiàn)動(dòng)作結(jié)構(gòu)分析。在這種方法中，整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)都是用關(guān)節(jié)建模的，所有部件都能在其指定的自由度內(nèi)運(yùn)動(dòng)。彎曲梁本身作為一個(gè)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(jī)構(gòu)各自位移的結(jié)果，輸入數(shù)據(jù)來(lái)自物理實(shí)體的驅(qū)動(dòng)器。

目前的Solidworks模型是專門為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)而設(shè)計(jì)的，并不是作為數(shù)字孿生而存在，這意味著它們不是設(shè)計(jì)用來(lái)表示產(chǎn)品在整個(gè)操作階段的實(shí)際狀態(tài)。所以范式轉(zhuǎn)換是必要的。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的所有階段中，需要在開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的同時(shí)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的數(shù)字孿生體模板。當(dāng)生成物理產(chǎn)品并由此從產(chǎn)品模型實(shí)例化時(shí)，需要從每個(gè)產(chǎn)品實(shí)例的數(shù)字孿生模板中相應(yīng)地實(shí)例化單個(gè)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(biāo)是自動(dòng)派生數(shù)字孿生體，并實(shí)現(xiàn)與物理實(shí)體的通信接口，以使該技術(shù)廣泛適用于產(chǎn)品實(shí)際中。