数字孪生模型在产品构型管理中应用探讨

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1、Future‰衙，未来工厂应用探讨于勇1，范胜廷1，彭关伟2，戴晟1，赵罡1(1．北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191；2．西安现代控制技术研究所，西安710065；)中[摘要】针对MBD技术的深层次应用，论述了数字线和数字孪生定义的概念和应用，指出数字线和数字孪生模型技术实施的重点和核心问题。指明全三维产品研制模式下对产品构型管理的新需求，探讨了基于数字孪生模型的产品构型管理方法和包含产品构型信息的产品数字孪生模型本体表达，为全三维研制模式下的产品构型管理提供了可行的技术解决方案。关键词：数字孪生；数字线；构型管理；基于模型定义DoI：10．16080／

2、j．issnl671—833x．2017．07．041一y、『十勇博士、讲师。硕士生导师，长期以来与航空航天企业和设计院所合作，一直追踪国内外航空航天企业的数字化技术应用情况，主要关注产品构型管理．复杂产品数字化设计制造以及产品全生命周期管理等相关技术的研究。+基金项目：工信部2016民用飞机专项科研技术项目资助。基于模型定义MBD(ModelBasedDefinition，MBD)技术是将产品的所有相关设计定义、工艺描述、属性和管理等信息都附着在产品三维模型中的先进的数字化定义方法。基于模型定义的技术自波音787飞机首次引入并向其他行业进行推广已经日趋成熟，其效益已经被国

3、内外知名公司和机构反复验证。目前国外相关研究的重点是实现面向产品生命周期全过程全要素的制造信息集成共享和协同环境，最终建立基于模型的企业MBE(ModelBasedEnterprise)。在此基础上，美国开展了数字线DT(DigitalThread)技术研究，进而又提出了数字孪生DT(DigitalTwin)的概念。数字孪生概念的产生和应用是MBD技术的进一步发展，使数字化设计制造技术迈向了一个新的台阶，是实现智能制造的基础[1-31。目前，我国制造企业已经较好地实现了二维研制模式下的产品构型管理和控制过程，然而，随着MBD技术的发展和深入应用，如何实现全三维模式下的产品构

4、型管理又成为产品构型管理领域中的新议题，数字孪生相关技术的产生和应用为全三维研制模式下产品构型管理提供了一个可借鉴的技术方案。数字线与数字孪生的概念与应用数字线最早是由洛克希德·马丁公司提出的⋯，他们在生产F一35中将MBD数据直接输入计算机数控机床加工成零件，或通过编程系统完成复合材料的敷设，并将这种新的工作模式称之为“数字线”。“数字线”为F一35的3种构型节省了6000套工装，还省去了这些工装的管理和与零件相互配置的时间，以及工装的配送和向机床上装夹所花费的时间。数字线产生的背景建立2017年第7期·航空制造技术41钐论坛嘲uM在“模型为中心”的基础上，这里的模型是具

5、备信息完整丰富、按照统一的开放标准建立的、规范的和语义化的数字化模型，并且可被机器(或系统)稳定无歧义地读取。在此基础上，数字线集成并驱动现代化的产品设计、制造和保障流程，使各环节的模型都能够及时进行关键数据的双向同步和沟通。其原理如图1所示。可以看到，在设计与生产的过程中，仿真分析模型的参数传递给产品定义的全三维几何模型和数字化生产线加工成真实的物理产品，然后通过在线的数字化检测／测量系统反映到产品定义模型中，进而再反馈到仿真分析模型中，从而实现了一个数据的双向传递过程吲。数字线的核心就是如何搭建一个涵盖产品研制全过程的协同环境，使统一的模型在产品研制各个阶段实现数据的双

6、向流动、重用和不断丰富的过程。数字孪生也被称为数字镜像、数字双胞胎和数字化映射[5-6]o数字孪生是MBD技术的深入发展和应用，其根源在于企业在实施基于模型的系统工程MBSE(ModelBasedSystemEngineering)过程中，产生了大量的基于物理的、数学的模型被忽视。由此，最早的数字孪生思想由密歇根大学的MichaelGrieves命名为“信息镜像模型”(InformationMirroringModel)，而后扩展为“数字孪生”的术语[7-9]o2012年NASA公布的技术路线图中给出了数字孪生的概念描述[1o】：数字孪生是指充分利用物理模型、传感器、运行历

7、史等数据，集成多学科、多尺度的仿真过程，它作为虚拟空间中对实体产品的镜像，反映了相对应物理实体产品的全生命周期过程。随后，美国国防将数字孪生应用于航空航天飞行器的健康维护与保障中。其目的是在数字空间建立真实飞机的模型，并通过传感器实42航空制造技术·2017年第7期现与飞机真实状态完全同步，这样每次飞行后，根据结构现有情况和过往载荷，及时分析评估是否需要维修，能否承受下次的任务载荷等。随后数字孪生的概念被扩展到制造领域，美国国防采办大学对数字孪生的定义是充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多物理量