數(shù)字孿生技術(shù)在液壓設(shè)計中的應用探討

高楠，陳釗，劉全東，肖林

（中國核動力研究設(shè)計院核反應堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，成都 610213）

0 引言

隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展和現(xiàn)代機械設(shè)備技術(shù)要求的不斷提高，液壓技術(shù)與現(xiàn)代社會的生產(chǎn)活動日益密切，并在國民經(jīng)濟各行業(yè)以及技術(shù)領(lǐng)域都得到了廣泛的應用，應用液壓技術(shù)的程度已成為衡量一個國家工業(yè)化水平的重要標志。如何讓液壓成為全球視野中的獨角獸，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)液壓設(shè)計的形象，以一種全新的面貌來應對全球工業(yè)的發(fā)展，是人們長期探索的方向。當前，以數(shù)字孿生、人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)為代表的新興學科的迅猛發(fā)展，為推進傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計提供了方法。而其中數(shù)字孿生的虛擬世界和物理世界的融合技術(shù)更引起了廣泛的關(guān)注及應用。液壓設(shè)計通過整合新興技術(shù)，將會產(chǎn)生飛躍式的質(zhì)變，并能為用戶提供全新的體驗。將數(shù)字孿生技術(shù)與液壓設(shè)計相結(jié)合，來彌補傳統(tǒng)液壓設(shè)計的弊端，使得液壓設(shè)計向著創(chuàng)新型、智能型發(fā)展成為可能。

1 數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展

數(shù)字孿生是指借助數(shù)字技術(shù)對物理世界對象的行為、特征、性能等進行建模及仿真，并搭建虛擬世界模型，在數(shù)字環(huán)境中通過物理世界和虛擬世界的數(shù)據(jù)融合、虛實交互反饋、健康管理，實現(xiàn)對產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)、模型等集成，構(gòu)建連接物理世界和虛擬世界的橋梁和紐帶。數(shù)字孿生技術(shù)作為20世紀以來的新興科學技術(shù)，正吸引著學術(shù)界、工業(yè)界的廣泛關(guān)注，如何應用數(shù)字孿生技術(shù)已成為大家研究的焦點。數(shù)字孿生的概念是由美國密歇根大學的邁克爾·格里夫斯（Michael Grieves）教授與美國航空航天局（NASA）的專家約翰·維克斯（John Vickers）共同提出的，并于2003年由格里夫斯教授在所講授的產(chǎn)品生命周期管理（PLM）課程上首次引入［1］。受限于當時的發(fā)展水平及大眾認知，并沒有得到廣泛關(guān)注。直至2011年美國空軍研究實驗室（AFRL）和NASA合作提出了構(gòu)建飛行器的數(shù)字孿生體，并定義數(shù)字孿生為一種面向飛行器或系統(tǒng)的仿真模型，能夠反映實體的功能、實時狀態(tài)及演變趨勢等，該技術(shù)才真正得到廣泛的關(guān)注。

2015年NASA技術(shù)發(fā)展路線圖中把數(shù)字孿生技術(shù)列為關(guān)鍵技術(shù)之一。2017—2019年，連續(xù)三年，Gartner公司都將數(shù)字孿生列為十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢［2-3］，并列的還有人工智能、沉浸式體驗、區(qū)塊鏈等。2019年、2020年數(shù)字孿生概念得到了認同和技術(shù)爆發(fā)，越來越多的學者研究并利用數(shù)字孿生技術(shù)解決實際工程問題。其中包括國外的ANSYS公司和PTC公司聯(lián)合建立的泵的數(shù)字孿生模型、洛克希德-馬丁公司的基于數(shù)字孿生的深海探測技術(shù)及智能空間平臺，等。國內(nèi)由陶飛教授領(lǐng)銜的數(shù)字孿生小組為研究數(shù)字孿生較早的團隊，提出了數(shù)字孿生五維模型，并聯(lián)合沈陽飛機設(shè)計研究所等在內(nèi)的16家企業(yè)共同探討了數(shù)字孿生五維模型在衛(wèi)星/空間通信網(wǎng)絡(luò)、船舶、車輛抗毀傷評估等10大領(lǐng)域的應用探索［4］。國內(nèi)其他廠家，如中興通訊打造了5G+工業(yè)數(shù)字孿生平臺、能科股份的“油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)軟件模擬仿真及驗證系統(tǒng)”的全方位的數(shù)字孿生平臺等。

2 液壓技術(shù)的發(fā)展

1795年，英國約瑟夫·布拉曼（Joseph Bramah）在倫敦用水作為工作介質(zhì)，以水壓機的形式將其應用于工業(yè)上，誕生了世界上第一臺水壓機，為20世紀液壓的發(fā)展奠定了科學與工藝基礎(chǔ)。1905年，美國人詹涅（Janney）首先將液壓介質(zhì)由水改為油，改善了19世紀工業(yè)上以水作為工作介質(zhì)所帶來的密封問題，進一步推動了液壓的發(fā)展［5］。從此，液壓系統(tǒng)開啟了它曲折傳奇的浪漫征程。第一次世界大戰(zhàn)（1914—1918年）后，液壓系統(tǒng)開始被廣泛應用，相繼出現(xiàn)了符合工況的泵閥、馬達等液壓元件。第二次世界大戰(zhàn)（1941—1945年）期間，美國機床中有30%應用了液壓系統(tǒng)［5］，同時由于軍事上的需要，出現(xiàn)了以響應快、精度高為特征的液壓元件和控制系統(tǒng)，將液壓推到了世界舞臺聚光燈下。在1955年前后，日本迅速發(fā)展液壓，并于1956年成立“液壓工業(yè)會”，隨后，日本液壓發(fā)展之快，居世界領(lǐng)先地位。

我國的液壓技術(shù)較國外起步較晚，20世紀60年代，我國液壓設(shè)計才開始從仿制走向自主研發(fā)的道路［5］。20世紀80年代，伴隨著我國液壓技術(shù)的發(fā)展，液壓泵、液壓閥等基礎(chǔ)件落后于其他國家的問題日益突出，為此，我國先后引進了40余項國外先進液壓技術(shù)，并與美國、日本等家國家液壓著名廠家合作，為我國液壓元件更深層次的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。如今，我國液壓行業(yè)有以江蘇恒立液壓、北京華德液壓、榆次液壓等為代表的龍頭企業(yè)，以浙江大學、哈爾濱工業(yè)大學、燕山大學等為代表的科研機構(gòu)，為我國液壓元件的國產(chǎn)化研發(fā)提供了支撐。經(jīng)過多年的技術(shù)累積，我國的液壓系統(tǒng)設(shè)計已成為一個類別齊全，走向全球的工業(yè)學科，同時液壓方面的標準化工作也得到了很大發(fā)展。

20世紀50年代以來，隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，生產(chǎn)自動化的不斷提高，液壓技術(shù)在機械制造及汽車行業(yè)、能源與冶金、各類施工機械、原子能、航空、船舶及武器制造等領(lǐng)域得到了廣泛發(fā)展和應用，逐步出現(xiàn)了批量的集成式機電一體化產(chǎn)品，提高了液壓系統(tǒng)的智能化程度和可靠性，并通過計算機仿真技術(shù)開展了對液壓元件和系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能仿真及輔助設(shè)計。如今，液壓系統(tǒng)學科已經(jīng)長成一棵枝繁葉茂的參天大樹，滲透于各行各業(yè)，不斷取得令人嘆為觀止的進步，正在對世界經(jīng)濟、人類生活和社會進步產(chǎn)生極其深刻的影響。21世紀是新一代智能化、信息化、數(shù)字化、大數(shù)據(jù)、云計算等新興技術(shù)與液壓系統(tǒng)領(lǐng)域的研究、設(shè)計等融合的時代，將新技術(shù)引入到液壓設(shè)計中，對其的應用領(lǐng)域、行業(yè)管理等產(chǎn)生影響并帶來革命性的變化，推動行業(yè)進入智能化等時代。

3 數(shù)字孿生技術(shù)在液壓設(shè)計中的應用概括

液壓系統(tǒng)大部分都是用具有連續(xù)流動性的液壓油充當工作介質(zhì)，通過液壓泵將驅(qū)動泵的原動機機械能轉(zhuǎn)換為液體的液壓能，經(jīng)過壓力、流量方向等各種控制閥，送至執(zhí)行器中，轉(zhuǎn)換為機械能去驅(qū)動負載，一般都是由動力源、執(zhí)行器、控制閥、液壓輔件及液壓工作介質(zhì)等組成，一個簡單的液壓系統(tǒng)原理圖如圖1。

圖1 液壓系統(tǒng)原理

由于液壓系統(tǒng)的龐大，如液壓元件種類多、數(shù)量多、工況復雜等，造成液壓設(shè)計過程中難點多、困難大，主要有：

（1）液壓元件安裝布局復雜。液壓元件的布置雖不受嚴格的空間位置限制，但卻需要管道之間的聯(lián)通來實現(xiàn)系統(tǒng)間的各部分連接，因此空間布局安裝需要多次反復嘗試。

（2）液壓系統(tǒng)設(shè)計成本高。液壓元件制造精度要求較高，且需防止和減少泄露，同時部分元件需做樣進行試驗，成本過高。

（3）液壓系統(tǒng)故障診斷困難。液壓元件屬機械元件，結(jié)構(gòu)復雜，設(shè)計制造難，因此故障不易診斷。

綜上所述，由于液壓的設(shè)計復雜性等，在液壓全生命周期中，引入數(shù)字孿生技術(shù)，形成液壓系統(tǒng)設(shè)計、仿真、校核、測試、運維等全流程的可視化、帶檢測反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，通過采集與仿真的數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)的運行進行故障診斷與維護，可減少傳統(tǒng)液壓設(shè)計所帶來的弊端。

液壓系統(tǒng)數(shù)字孿生模型集成了多層次的模型，不同結(jié)構(gòu)層次的物理實體在虛擬空間均需建立相對應的數(shù)字孿生模型，如動力源、執(zhí)行器、控制閥、液壓輔件模等基礎(chǔ)模型；系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)庫模型；含基礎(chǔ)模型的材料強度、剛度等特性的校驗模型等。將Creo/Solidworks作為液壓系統(tǒng)模型搭建的設(shè)計軟件，在模型搭建的基礎(chǔ)上添加數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)虛實間的交互、數(shù)據(jù)雙向互通，從而促使數(shù)字孿生與真實空間中物理實體信息和數(shù)據(jù)進行連接及交互，實現(xiàn)全生命周期數(shù)據(jù)統(tǒng)一集中管理，達到最終的實時監(jiān)測，具體架構(gòu)如圖2。

圖2 液壓設(shè)計數(shù)字孿生模型的搭建架構(gòu)

模型設(shè)計過程中可用如下方法進行：

（1）模型輕量化處理。液壓系統(tǒng)模型搭建過程中，高精度建模和仿真數(shù)據(jù)較多，同時還需考慮動力源、執(zhí)行器、控制閥、液壓輔件及液壓工作介質(zhì)間的相互影響，眾多因素影響下，導致模型三維可視化效果實現(xiàn)復雜，因而可對液壓模型進行輕量化處理，對模型的幾何信息進行簡化和壓縮，并對尺寸、屬性、參數(shù)等信息進行簡化提取。

（2）ROM降階處理。在保留模型的主要特性，尤其是全3D仿真對應的物理域特性下，對模型進行ROM降階處理，可加快3D仿真的速度、高精度系統(tǒng)數(shù)據(jù)仿真分析。

（3）3R技術(shù)。為保證虛實模型間的真實性，將3R（VR、AR、MR）技術(shù)引入到液壓模型搭建過程中，用戶通過使用虛擬交互設(shè)備，像在真實環(huán)境中一樣對各設(shè)備系統(tǒng)進行體驗，驗證設(shè)計的合理性，從而對設(shè)計提出改進意見，并且由于建模修改的便捷性，這個過程可以迭代多次，確保各系統(tǒng)的適應性。

4 數(shù)字孿生技術(shù)在液壓集成塊中的具體實施

集成塊（液壓閥塊）是集成式液壓的核心單元，它是安裝元件的支撐體，是一個或多個特別的圓柱孔道的六面閥塊體，其上安裝有各種液壓元件，如液壓閥、管接頭、壓力表等，內(nèi)部的孔道與元件孔道相連通，構(gòu)成液壓集成回路，實現(xiàn)液壓控制要求。集成塊在設(shè)計時，由于內(nèi)部復雜的孔道及不一的孔深，導致孔道間有的不相通，有的相通，孔道間相互交錯，如果僅通過二維平面圖，圖紙表現(xiàn)不明確，如圖3。將數(shù)字孿生應用于集成塊設(shè)計中，可以讓設(shè)計人員在前期方案設(shè)計中發(fā)現(xiàn)問題，避免重復性工作，縮短設(shè)計周期、提高設(shè)計質(zhì)量，擺脫“手工”設(shè)計模式，同時使集成塊孔道設(shè)計及驗證變得更為準確化、標準化、智能化。

圖3 集成塊平面設(shè)計

數(shù)字孿生在集成塊設(shè)計中的步驟有（具體設(shè)計流程見圖4）：初步確立原理圖，以壓力、流量為參考，采用液壓公式計算集成塊孔道直徑、孔間壁厚等，并進行初步校核，對液壓元件進行選取。借助三維軟件建模，完成孔道布局設(shè)計，搭建集成塊模型，實現(xiàn)力學等有限元分析。同時對搭建的模型進行轉(zhuǎn)換，以工程實際中的閥組信息為基礎(chǔ)，使用U3D/Q3D引擎軟件對模型進行交互式開發(fā)，建立虛擬現(xiàn)實（VR/AR）環(huán)境，實現(xiàn)模型可視化、沉浸感。

圖4 數(shù)字孿生在集成塊設(shè)計中的流程

圖5 集成塊三維模型

VR環(huán)境下，集成塊模型可以開發(fā)不同的模式。例如，在沙盒模式下，液壓設(shè)計人員對集成塊模型進行不同角度及方位的觀察。漫游模式下，設(shè)計人員通過使用HTC VIVE Pro頭顯等設(shè)備直接進入集成塊內(nèi)部孔道進行查看，觀察各孔道之間連通區(qū)域是否存在干涉，確定孔深及干涉處的調(diào)整量，達到人機交互模式下的驗證工作。布置模式下，借助前期搭建的資源設(shè)備庫模型，設(shè)計人員利用VR手柄/Noitom Hi5動捕手套，選取需要放置的液壓閥，將其放置在集成塊模型上，進行虛擬布局等，如圖6所示。當然在布置模式下，通過將液壓閥放置在未開孔的集成塊上，虛擬平臺可以智能算出最優(yōu)的布孔方案（包含孔深、孔徑、孔壁等），實時生成集成塊孔道圖，實現(xiàn)虛擬設(shè)計等。人因模式下，實時連接液壓泵站系統(tǒng)中的運行數(shù)據(jù)，反饋在虛擬模型上，進行同步運行等。

圖6 集成塊裝配體

5 展望

隨著新興技術(shù)的不斷應用與發(fā)展，工業(yè)4.0、智能制造等發(fā)展戰(zhàn)略的出臺，數(shù)字孿生技術(shù)開始成為未來設(shè)計及制造行業(yè)的重要一員。本文基于數(shù)字孿生技術(shù)，結(jié)合液壓設(shè)計的特點，提出了數(shù)字孿生模型下的液壓虛實融合設(shè)計，同時以數(shù)字孿生在液壓集成塊的設(shè)計為例，分析了液壓集成塊數(shù)字孿生模型的流程設(shè)計。通過采用數(shù)字孿生下的液壓設(shè)計，減少傳統(tǒng)設(shè)計弊端，使液壓技術(shù)的集成變得更加容易，能有效提高液壓系統(tǒng)設(shè)計的準確度、精細化等，為推動液壓系統(tǒng)向著智能化、數(shù)字化、信息化的發(fā)展提供參考。