Digital engineering transformation across the Department of Defense

Phil Zimmerman, Tracee Gilbert, and Frank Salvatore

The Journal of Defense Modeling and Simulation: Applications, Methodology, Technology

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Volume 16 Issue 4, October 2019

Special section on Operation Assessment

Special section on Transforming the engineering enterprise

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基于数字孪生的复杂机械产品多学科协同设计建模技术

李琳利,李浩,顾复,丁宁,顾新建,罗国富

1.浙江大学机械工程学院浙江省先进制造技术重点实验室

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2.西门子(中国)有限公司郑州分公司

3.郑州轻工业大学河南省机械装备智能制造重点实验室

Multidisciplinary collaborative design modeling technologies for complex mechanical products based on digital twin

摘要 数字孪生技术能够实现产品物理模型和信息模型的融合与迭代优化,从而缩短产品研发周期、降低返工成本。针对复杂产品多学科协同性差、研发成本高的难题,将数字孪生的理念引入到复杂机械产品多学科协同设计中。分析了多学科协同设计和数字孪生的研究进展,从全生命周期的视角探讨了产品、生产及其性能数字孪生模型的信息表达、集成与数据交互问题,给出了数字孪生的演变过程模型;在分析产品数字孪生多阶段建模过程的基础上,设计了一个产品数字孪生多学科协同设计建模参考架构,提出了机电一体化的多学科协同设计与虚拟工程方法和产品数字孪生多学科协同设计关键技术,通过优化仿真和虚拟调试构建了复杂机械产品的数字孪生模型,解决了产品全生命周期中机械、电气和自动化等多学科系统的信息物理融合问题。通过案例验证了所提数字孪生多学科建模理论及其优化方法的可行性。

计算机集成制造系统

2019年 25卷 第6期

刊出日期：2019-06-30

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基于数字孪生的复杂产品设计制造一体化开发框架与关键技术

李浩,陶飞,王昊琪,宋文燕,张在房,樊蓓蓓,武春龙,李玉鹏,李琳利,文笑雨,张新生,罗国富

1.郑州轻工业大学河南省机械装备智能制造重点实验室

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2.北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院

3.北京航空航天大学经济管理学院

4.上海大学机电工程与自动化学院

5.河北工业大学国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心

6.中国矿业大学矿业工程学院

7.浙江大学机械工程学院浙江省先进制造技术重点实验室

8.西门子(中国)有限公司郑州分公司

9.机械工业第六设计研究院有限公司

Integration framework and key technologies of complex product design-manufacturing based on digital twin

摘要 数字孪生是实现物理信息深度融合的一个重要抓手,复杂产品设计和制造信息物理融合是其中最重要的环节,为最终智能制造的落地提供了有效途径。当前,针对数字孪生技术的研究与应用主要集中在车间运行和产品运维等方面,而将数字孪生技术应用于复杂产品设计与制造融合的研究较少。产品设计是智能制造的第一个环节,也是产生数字孪生体的第一个环节,研究基于数字孪生的复杂产品设计制造一体化开发对实现后续的智能加工、装配和运维等具有重要影响。为此,分析了基于数字孪生的复杂产品设计制造一体化开发内涵,提出了基于数字孪生的复杂产品环形设计框架;基于所提出的框架,从需求分析、概念设计、个性化配置设计、虚拟样机、多学科融合设计和数据管理等方面,探索了基于数字孪生的复杂产品设计制造一体化开发中的关键技术;通过两个典型应用案例,展示了数字孪生关键技术在复杂产品设计制造一体化开发中的应用场景。

计算机集成制造系统

2019年 25卷 第6期

刊出日期：2019-06-30

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基于数字孪生的火箭起飞安全系统设计

金杰,夏超,肖士利,郭逸婧,王晓菲

1.中国航天科技集团北京宇航系统工程研究所

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2.中国信息通信研究院产业与规划研究所

Rocket launch safety system design scheme based on digital twins

摘要 为解决射前火箭起飞安全性分析与控制的及时性和准确性问题,提出一种基于数字孪生的火箭起飞安全系统设计方案。该系统采用数字化仿真、多源模型处理等技术完成虚拟仿真场景的构建。系统的数据采集模块对火箭、地面设备等产品的实时信息进行采集,完成火箭起飞场景数字孪生体的演化。采用数字化仿真技术,实现火箭起飞过程仿真、干涉检查和安全性分析。同时,系统根据仿真结果对火箭姿态进行优化和控制。为保证火箭起飞安全系统的正确性,采用火箭起飞过程中的真实数据,对系统模型进行不断评估和修正。该系统提高了火箭发射的可靠性,为火箭安全起飞提供了保障。

计算机集成制造系统

2019年 25卷 第6期

刊出日期：2019-06-30

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基于数字孪生的航天器系统工程模型与实现

王建军,向永清,何正文

1.北京空间飞行器总体设计部

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2.北京三七数据技术有限公司

Models and implementation of digital twin based spacecraft system engineering

摘要 为践行智能制造、推进航天工业化与信息化深度融合,提出了基于数字孪生的航天器系统工程。分析了数字孪生技术的相关研究成果,从7个维度对航天器系统工程进行综合,建立了基于数字孪生的航天器系统工程整体模型和应用框架,并按照生命周期进展演化为设计、工艺、制造/装配、试验/测试与在轨运行5个典型阶段模型和应用框架。在技术实现层面,基于物联网、大数据、用于过程控制的对象连接与嵌入统一架构、系统建模语言、基于模型的定义、面向服务的架构等先进技术,构建了由物理空间、传输层、数据层、模型层、服务层和应用层构成的数字孪生系统架构。基于数字孪生的航天器系统工程能够有效实现航天器研制全生命周期信息世界与物理世界的双向动态实时交互共融与协同,从而推进航天工业智能制造的发展。

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2019年 25卷 第6期

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数字孪生与TRIZ集成迭代参数演化创新设计过程模型

张鹏,冯浩,杨通达,赵博园,孙建广,檀润华

1.河北工业大学机械工程学院

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2.河北工业大学国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心

3.乐清技术创新方法研究院

Innovative design process model of TRIZ and digital twin integration iterative evolution based on parameter deduction

摘要 为体现复杂机电系统动态参数的演化,将数字孪生引入复杂机电系统创新设计过程中,利用数字技术对物理实体对象的特征、行为、形成过程和性能等进行描述建模;将设计参数以及应用TRIZ失效预测工具得到的系统失效参数引入数字孪生模型进行参数演化,发现系统在设计及制造过程中存在的潜在问题。将TRIZ与数字孪生技术结合应用于概念设计阶段,提取设计过程中的设计参数和失效参数并将参数的演化应用于数字孪生技术中,服务于复杂机电系统的全生命周期。结合密集柜式智能立体停车装置的设计实例,验证了所提方法的科学性。

计算机集成制造系统

2019年 25卷 第6期

刊出日期：2019-06-30

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基于数字孪生的航天器舱门展收机构优化设计

张在房,林炜,程辉,樊蓓蓓,皮刚,栾浩

1.上海大学机电工程与自动化学院

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2.上海航天设备制造总厂有限公司

Design optimization of spacecraft hatch deployable mechanism based on digital twin

摘要 针对航天器舱门展收过程中由根铰间隙引起的振动问题,提出一种基于数字孪生和径向基模型的材料参数优化方法。首先建立根铰间隙动力学模型,并应用数字孪生技术构建舱门的数字孪生模型。以根铰材料的接触刚度系数、阻尼系数和动摩擦系数为设计变量,以最大角加速度为优化目标,利用优化拉丁方试验设计构建样本空间;应用径向基神经网络模型构建近似模型;采用结合的序列二次规划算法和多岛遗传算法求解近似模型的最优值。优化结果表明,与优化前相比,舱门的角加速度峰值和根铰间隙接触力明显减小,舱门的动态性能得到提升。

计算机集成制造系统

2019年 25卷 第6期

刊出日期：2019-06-30

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基于数字孪生的综采工作面生产系统设计与运行模式

谢嘉成,王学文,杨兆建

1.太原理工大学机械与运载工程学院

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2.太原理工大学煤矿综采装备山西省重点实验室

3.太重煤机有限公司博士后科研工作站

Design and operation mode of production system of fully mechanized coal mining face based on digital twin theory

摘要 为进一步深化数字开采在智能化无人开采和智慧矿山建设中的关键地位,形成稳定、可靠和具有实际应用指导意义的整体框架,提出一种基于数字孪生的综采工作面生产系统设计与运行模式。在综采设计与监控服务系统的驱动下,实现生产要素管理配置、生产过程预仿真与实时监控等在物理综采工作面、虚拟综采工作面、综采设计与监控服务系统的迭代运行,实现全要素、全流程、全数据的集成和融合,达到生产系统最优配置和装备协同安全高效开采的目的。对3个阶段的技术构架和关键技术进行了详细描述。以一个原型系统为例进行分析,可依次完成综采装备与煤层的数字化设计、虚拟仿真开采模拟与实时运行数据驱动的虚拟监测监控,为智能化无人化开采提供了核心技术和平台依托。

计算机集成制造系统

2019年 25卷 第6期

刊出日期：2019-06-30

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