基于Process simulate工藝仿真在風(fēng)電工藝中的應(yīng)用

李琳

（上海電氣風(fēng)電集團股份有限公司，上海 200233）

在我國能源形式中，電力最為潔凈和便捷，已成為我國經(jīng)濟的命脈。目前，我國的電力系統(tǒng)使用的動力源是以火力發(fā)電和水利發(fā)電為主，然而，火力發(fā)電在發(fā)電過程中會產(chǎn)生一系列的環(huán)境問題，如產(chǎn)生大量的二氧化碳導(dǎo)致的溫室效應(yīng)、二氧化硫?qū)е碌沫h(huán)境污染等。針對以上問題，中國向全世界承諾，未來10年碳排放量將減少40%～50%。優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展可再生能源是實現(xiàn)這一承諾的重要條件。風(fēng)能由于其具有清潔、便捷的特點，在全球的各種可再生能源中，受到了全球有關(guān)專家的廣泛關(guān)注，風(fēng)電行業(yè)也因此得到了快速發(fā)展，對風(fēng)電機組整機設(shè)計需求也日益增加。日益擴大的市場對于安裝工藝效率要求進一步提升，為了進一步提升裝配安裝效率，針對工藝仿真的呼聲要求進一步擴大。但是，由于風(fēng)電行業(yè)的建模和仿真技術(shù)以及工具的開發(fā)都比較落后，風(fēng)力發(fā)電機的建模和仿真技術(shù)是其研究的基本工作和條件。本文基于工藝仿真應(yīng)用設(shè)計推廣架構(gòu)，完善風(fēng)電工藝仿真應(yīng)用實踐案例，著重介紹了風(fēng)力發(fā)電建模和仿真的基本條件和技術(shù)基礎(chǔ)，希望為風(fēng)電行業(yè)的進一步研究提供研究思路和實際參考。

1 數(shù)字化工藝平臺整體架構(gòu)

數(shù)字化整體制造從前端設(shè)計到數(shù)字化工藝到生產(chǎn)端執(zhí)行，是由零部件制造、裝配規(guī)劃、工藝BOP、資源管理、工廠設(shè)計與優(yōu)化、生產(chǎn)管理等核心軟件構(gòu)成?？稍诠に嚪抡孳浖谐醪綄崿F(xiàn)數(shù)字雙胞胎映射，完成工藝規(guī)劃及相關(guān)工藝過程操作?，F(xiàn)在技術(shù)成熟度越來越高，研發(fā)周期要求越發(fā)緊迫，如何可以快速提升研發(fā)效能，是重中之重。利用數(shù)字化技術(shù)支持，實現(xiàn)虛擬生產(chǎn)，通過研發(fā)設(shè)計端進行虛擬產(chǎn)品設(shè)計，工藝條線進行虛擬生產(chǎn)仿真，過程協(xié)同確認及相互迭代，虛擬產(chǎn)品用數(shù)據(jù)驅(qū)動虛擬生產(chǎn)，虛擬生產(chǎn)反饋數(shù)據(jù)更新至虛擬產(chǎn)品，虛擬生產(chǎn)環(huán)境中驗證風(fēng)電機組安裝，指導(dǎo)真實生產(chǎn)過程，交付真實產(chǎn)品，縮短實體樣機生產(chǎn)過程。

從要制造什么樣的風(fēng)機產(chǎn)品，到如何制造風(fēng)機產(chǎn)品，到何時何地制造產(chǎn)品，是一個正向的數(shù)據(jù)流，就是研發(fā)-工藝-制造的過程。對于工藝條線來說，設(shè)計工藝協(xié)同設(shè)計需求與日俱增，引入工藝過程仿真，支撐裝配過程驗證工藝可行性，進而優(yōu)化裝配過程，提高制造生產(chǎn)效率。Process Simulate是由一款工藝仿真軟件，可促進企業(yè)范圍內(nèi)的制造過程信息協(xié)同共享，減少制造規(guī)劃工作量和時間，在虛擬環(huán)境中早期驗證生產(chǎn)試運行及通過在整個過程生命周期中模仿現(xiàn)實過程，提高過程質(zhì)量（圖1）。

圖1 數(shù)字化制造整體解決方案示意圖

2 基于工藝仿真的風(fēng)機數(shù)字化裝配的設(shè)計方案

2.1 基于 Process Simulate 風(fēng)電的工藝仿真研究

常規(guī)來講，虛擬產(chǎn)品設(shè)計完成需要進行實物生產(chǎn)、實地裝配，生產(chǎn)及安裝過程中有問題反饋給前端，進行設(shè)計更新及工藝升級。鑒于Process Simulate工藝仿真軟件進行風(fēng)電安裝過程的仿真執(zhí)行，閉環(huán)靜態(tài)及動態(tài)干涉檢查，驗證工藝步驟。

2.2 工藝仿真的設(shè)計流程

首先，從正向設(shè)計思路看，所有的產(chǎn)品都是以市場需求和戰(zhàn)略導(dǎo)向為領(lǐng)航燈，制定產(chǎn)品技術(shù)路線后，按照產(chǎn)品及設(shè)計需求下發(fā)進行相關(guān)零部件及相應(yīng)工藝方案、工裝工具詳細設(shè)計，這個階段都是在數(shù)字化建模設(shè)計軟件中完成，是虛擬產(chǎn)品狀態(tài)。通過整體數(shù)據(jù)鏈打通建設(shè)，架構(gòu)數(shù)字化工藝體系性，提升研發(fā)效率，縮短設(shè)計創(chuàng)新時間，逐步健全工藝資源池，提高知識重用率，進行數(shù)字化樣機裝配，用仿真的結(jié)果服務(wù)車間及現(xiàn)場，便于制造端操作。

為了完成以上目的，數(shù)字化工藝的實現(xiàn)路徑為三方面：（1）建立統(tǒng)一的標(biāo)準要求：針對物料、文檔及相關(guān)工藝設(shè)計標(biāo)準進行統(tǒng)一規(guī)定，讓大家的起點保持一致；（2）推進三維化工藝設(shè)計，利用設(shè)計軟件進行工裝工具參數(shù)化設(shè)計建設(shè)，實現(xiàn)設(shè)計計算強度仿真CAE一體化，用參數(shù)驅(qū)動設(shè)計，大大提升工程師工作效率；（3）構(gòu)建模塊化結(jié)構(gòu)化意識，建設(shè)工藝資源庫，針對工裝工具及相關(guān)設(shè)備進行物料分類管理，細化工藝步驟，進行結(jié)構(gòu)化工藝試水。

通過前端基于模型的研發(fā)建模體系PDM系統(tǒng)輸出三維模型結(jié)構(gòu)及物料信息至工藝數(shù)字化TCM平臺，實現(xiàn)設(shè)計工藝協(xié)同、結(jié)構(gòu)化工藝、工藝文檔可視化、工藝仿真數(shù)據(jù)協(xié)同管理。由TCM工藝平臺數(shù)據(jù)，下發(fā)制造MES執(zhí)行系統(tǒng)，完成數(shù)字化工廠應(yīng)用，應(yīng)用工廠物流仿真控制調(diào)整生產(chǎn)節(jié)拍。產(chǎn)品及工藝數(shù)據(jù)在架構(gòu)的數(shù)據(jù)鏈條中貫通形成閉環(huán)迭代反饋數(shù)據(jù)流，完成風(fēng)機產(chǎn)品數(shù)據(jù)一條龍流轉(zhuǎn)。協(xié)同的數(shù)字化工藝管理平臺是整體數(shù)據(jù)鏈條中的中轉(zhuǎn)加工站和樞紐，確保數(shù)據(jù)流暢。從前端的工藝規(guī)劃及布局，到針對工藝過程的仿真驗證，到工廠物流配貨工時效率的仿真模擬，能夠貫穿整個風(fēng)機安裝裝配，從而實現(xiàn)風(fēng)機成品的質(zhì)量評估和安裝效率評估，驗證各種不同的風(fēng)機裝配工藝方案，確保最優(yōu)方案發(fā)送至現(xiàn)場，提升風(fēng)機工藝整體質(zhì)量水平。

3 工藝仿真技術(shù)在電氣風(fēng)電的應(yīng)用

工藝過程仿真對零組件、工裝工具、設(shè)備進行靜動態(tài)裝配仿真，自動路徑尋優(yōu)，進行干涉檢查，同時，定義人體工作姿態(tài)，進行重點難點工序姿態(tài)分析、可視性可達性、舉升分析、快速上肢受力分析、腰背部受力分析及等?？梢蕴嵘O(shè)計一次準確率，降低設(shè)計制造成本，縮短新產(chǎn)品研發(fā)迭代周期。進行工藝過程仿真，可以在設(shè)計初期就同步進行工藝工裝設(shè)計及工藝方案設(shè)計，不斷迭代，在軟件中模擬風(fēng)機模型裝配、工裝工具與風(fēng)機裝配、工藝安裝過程等，從而盡早發(fā)現(xiàn)靜態(tài)及動態(tài)干涉，實現(xiàn)設(shè)計工藝協(xié)同，在三維可視化環(huán)境中仿真裝配過程、驗證裝配工藝可行性，優(yōu)化制造裝配工藝過程，提升制造部門裝配工藝技術(shù)水平，提高制造生產(chǎn)效率，在早期發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，減少現(xiàn)場重做和返工，提高產(chǎn)品的一次生產(chǎn)正確率。在虛擬環(huán)境中驗證新工藝和技術(shù)，節(jié)約制造成本，在樣機未安裝前閉環(huán)相關(guān)問題；同時，在工藝設(shè)計過程中分析、優(yōu)化因人的身高與體重等因素造成的操作使用問題，從人機工效的角度，解決產(chǎn)品設(shè)計的合理性、工藝可行性等問題，保護工人的人身安全和健康。

從數(shù)據(jù)準備到工藝過程仿真結(jié)果輸出，是一系列仿真標(biāo)準體系文件及操作規(guī)范的支撐。工藝規(guī)劃輸出結(jié)構(gòu)化工藝結(jié)果，工藝裝配驗證輸出仿真分析報告、干涉分析報告、工藝時序圖等，通過人工操作驗證，關(guān)注人因過程及操作安全，輸出各項人因健康及安全相關(guān)報告，指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)，從設(shè)計端考慮人員操作安全等。同時，通過山地路徑建模模擬可模擬風(fēng)電運輸過程中葉片舉升車在艱難山路行駛情形，通過實體NX建模規(guī)劃山地路徑，后續(xù)可通過直升機3D點云成像直接生成，在軟件中定義舉升車設(shè)備運動及物流規(guī)劃，通過實體間最小距離保證葉片翼型與山體不干涉，完成關(guān)鍵路徑葉片舉升車各節(jié)點舉升角度和轉(zhuǎn)彎角度，保證物流運輸順暢，提前指導(dǎo)運輸?shù)缆芬?guī)劃。車間及風(fēng)場仿真工藝示意圖如圖2。

圖2 車間及風(fēng)場仿真工藝示意圖

4 裝配過程中人因工程的仿真分析

當(dāng)前，隨著科技的進步和發(fā)展，對于操作工人的人性化換壞工藝過程中很重要的就是人機工程仿真，可以進行人體可達性分析、可視性分析，通過人的視角可視化工具工作狀態(tài)，檢測工具合適性，人體工程學(xué)分析（姿勢、疲勞等）分析人體工作時的舒適性；人體與產(chǎn)品碰撞干涉，優(yōu)化人體工作空間；通過人因工程分析，提供安全的工作環(huán)境保證員工的身心健康。仿真分析完成會輸出電氣風(fēng)電人體工程學(xué)報告，針對工作姿態(tài)、下背部受力、搬運受力、可視性分析及快速上肢評估分別出具相關(guān)報告，指導(dǎo)設(shè)計及工藝過程更新。人因分析可以分為以下幾種：

（1）人體姿勢分析：人體姿勢分析被認為是對各種工作場景的操作姿態(tài)進行人機分析的有效且容易實現(xiàn)的方法，因而后來在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，可快速檢查工作姿態(tài)，評價任務(wù)周期內(nèi)所有工作姿態(tài)的舒適度，并指示需要采取糾正措施的緊迫性，從而快速評估某種工作姿態(tài)對工人造成損害或傷害的可能性大小，可以確定最需優(yōu)先改進的工作姿勢，以符合人體工程學(xué)的需要。

（2）下背部受力分析：下背部受力分析可以分析特定操作下脊椎受力對下背部的影響是否符合標(biāo)準，是否會令工人下背部的受傷概率增加。分析可以給出哪些任務(wù)最需要進行人因方面改進，從而對工廠車間的布局規(guī)劃和工序進行安排來減小員工下背部受損的風(fēng)險。

（3）搬運受力分析：搬運受力分析主要旨在分析員工雙手搬起重物時的受力情況，得出一個搬運指數(shù)，然后，與允許的搬運指數(shù)相比，進而了解工人搬運過程的動作是否合理，以幫助避免或減輕員工背部損傷。

RWL=23kg(25/H)(1-0.003|V-75|)x(0.82+4.5/D)FM(1-0.0032A)CM。

H：搬舉起始或終止時，手掌中心距兩踝關(guān)節(jié)中間的水平距離(cm)；V：搬舉起始或終止時，手掌距地面的垂直距離(cm)；D：搬動起始與終止時的垂直距離(cm)；FM：搬動頻率參數(shù)(根據(jù)頻率確定不同的系數(shù))；A：偏離矢狀面的角度(度)；CM：物體易抓參數(shù)(根據(jù)難易確定為 1.0，0.95，0.90)。

(提舉指數(shù))：LI=實際提舉重量/RWL。

如果LI(提.舉指數(shù))大于1.0，提示當(dāng)前工作狀態(tài)可能構(gòu)成對作業(yè)人群的危害。

如果LI(提舉指數(shù))大于3.0，則危害明顯增加。

（4）快速上肢評估：快速上肢評估評估是否需要干預(yù)以降低因體力負荷而造成傷害的風(fēng)險。對于手動任務(wù)，RULA：根據(jù)姿勢、肌肉使用、負載重量、任務(wù)持續(xù)時間和頻率評估上肢受傷的風(fēng)險。為評估的任務(wù)分配一個分數(shù)，表明降低傷害風(fēng)險所需的干預(yù)程度。

RULA可用于：

①快速評估手動任務(wù)是否有可能使工人面臨上肢受傷的風(fēng)險。

②設(shè)計新的手動任務(wù)或指導(dǎo)重新設(shè)計現(xiàn)有任務(wù)。

③確定需要最緊急關(guān)注以進行人體工程學(xué)修改的手動任務(wù)并確定其優(yōu)先級。

綜上，用實際數(shù)據(jù)的結(jié)果，從各個方面去評估人因水平，根據(jù)結(jié)果進行相關(guān)整改，提升風(fēng)電整體裝配人因關(guān)懷度，完成工藝精細化及人性化深入發(fā)展。

5 結(jié)語

本文通過Process simulate工藝仿真軟件在風(fēng)電工藝領(lǐng)域仿真設(shè)計中應(yīng)用特點及仿真設(shè)計流程進行說明，探討了其在風(fēng)電工藝仿真領(lǐng)域探索的應(yīng)用，通過車間裝配、風(fēng)場安裝、物流運輸、人因動作等仿真過程，最后得到仿真分析報告、干涉分析報告、工序人因報告、工藝時序圖等仿真結(jié)果。實踐案例完善了風(fēng)電領(lǐng)域工藝仿真的技術(shù)應(yīng)用，開拓了風(fēng)電工藝仿真技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用新業(yè)務(wù)場景，為提高和優(yōu)化風(fēng)電行業(yè)工藝的效率提供新方法，為風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的進一步發(fā)展提供理論依據(jù)。