数字孪生应用的三个阶段

2021-03-08

  数字孪生应用的三个阶段。

  1.数字孪生的概念。

  数字孪生,顾名思义,是指物理世界中的物体,通过数字化的手段,在数字世界中构建一个完全相同的实体,从而实现对物理实体的理解、分析和优化。

从理论上看,数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间完成映射,从而反映相应物理设备的整个生命周期过程。这是一个超越现实的概念,可以看作是一个或多个重要且相互依赖的设备系统的数字制图系统。

  2.什么时候开始。

  2002年,密歇根大学教授迈克尔·格里夫斯博士提出了数字孪生的概念。他认为通过物理设备的数据,可以在虚拟(信息)空间中构建一个可以代表物理设备的虚拟实体和子系统,连接不是单向的、静态的,而是在整个产品生命周期中连接的。它最早被美国用来维护和保障航天飞行器的健康。首先在数字空间建立一个真实的飞机模型,通过传感器与飞机的真实状态完全同步,以便每次飞行后,根据结构的现有情况和过去的载荷,及时分析评估是否需要维修,是否能够承受下一个任务载荷。

  3.怎么用。

  数字孪生有时用来指在工厂建筑和生产线建成之前完成其数字模型。因此,在虚拟的网络空间中对工厂进行模拟和仿真,并将真实的参数传输到实际的工厂建设中。车间和生产线完成后,他们继续在日常操作和维护中交换信息。

  4.设计阶段的数字孪生。

  在产品设计阶段,使用数字孪生可以提高设计的准确性,验证产品在真实环境中的性能。现阶段的数字孪生主要包括以下功能:

数字模型设计:利用CAD工具开发符合技术规范的产品虚拟样机,准确记录产品的各种物理参数,以可视化方式展示,通过一系列验证手段验证设计的准确性;

  模拟仿真:通过一系列可重复、可变参数、加速的仿真实验,验证产品在不同外部环境下的性能和性能,在设计阶段验证产品的适应性。

  比如在汽车设计过程中,由于节能减排的要求,达索帮助包括宝马、特斯拉、丰田在内的汽车公司使用其CAD、CAE平台3DExperience,对空气动力学、流体声学等方面进行精确的分析和模拟。通过形状设计中的数据分析和仿真,大大提高了流动的线性度,减小了空气阻力。

  5.制造阶段的数字孪生。

  在产品的制造阶段,使用数字孪生可以加快产品推出的时间,提高产品设计的质量,降低生产成本,提高产品的交付速度。

  产品阶段的数字孪生是一个高度协作的过程。通过数字化手段构建的虚拟生产线,将产品本身的数字化成对与生产设备、生产工艺等其他形式的数字化成对相结合,实现以下功能:

  生产过程模拟:在产品生产之前,可以通过虚拟生产模拟不同产品、不同参数、不同外部条件下的生产过程,实现对产能、效率、可能的生产瓶颈的早期预测,加快新产品引进的进程;

  数字化生产线:通过数字化手段,将生产阶段的各种要素,如原材料、设备、工艺配方、工艺要求等,整合成一个紧密协调的生产过程,按照既定的规则,在不同条件下自动完成作业,实现自动化生产过程;同时记录生产过程中的各种数据,为后续分析优化提供依据。

  关键指标监控和过程能力评估:通过采集生产线上各种生产设备的实时运行数据,实现整个生产过程的可视化监控,通过经验或机器学习建立关键设备参数和检验指标的监控策略,及时处理和调整违反策略的异常情况,实现稳定、持续优化的生产过程。

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