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数字孪生技术的应用及意义.pdfVIP

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非淡泊无以明志,非宁静无以致远。——诸葛亮

数字孪生技术的应用及意义

非淡泊无以明志,非宁静无以致远。——诸葛亮

导语

01

概述

未来,所有的企业都将成为数字化的公司,这不只是要求企业开发出具备数字化特征的产

品,更指的是通过数字化手段改变整个产品的设计、开发、制造和服务过程,并通过数字化

的手段连接企业的内部和外部环境。

随着产品生命周期的缩短、产品定制化程度的加强,以及企业必须同上下游建立起协同的生

态环境,都迫使企业不得不采取数字化的手段来加速产品的开发,提高开发、生产、服务的

有效性以及提高企业内外部环境的开放性。这种数字化的转变对于传统的工业企业来说可能

会非常困难,因为它同沿用了几十年的基于经验的传统设计和制造理念相去甚远。设计人员

可能不再需要依赖于通过开发实际的物理原型来验证设计理念,也无需通过复杂的物理实验

才能验证产品的可靠性,不需要进行小批量试制就可以直接预测生产的瓶颈,甚至不需要去

现场就可以洞悉销售给客户的产品运行情况。这种方式,无疑将贯穿整个产品的生命周期,

不仅可以加速产品的开发过程,提高开发和生产的有效性和经济性,更有效的了解产品的使

用情况并帮助客户避免损失,更能精准的将客户的真实使用情况反馈到设计端,实现产品的

有效改进。而所有的这一切,都需要企业具备完整的数字化能力,而其中的基础,就是数字

孪生,即DigitalTwin技术。

02

数字孪生的概念

数字孪生,顾名思义,是指针对物理世界中的物体,通过数字化的手段来构建一个数字世界

中一模一样的的实体,籍此来实现对物理实体的了解、分析和优化。

1、数字孪生概念的发展历史

2002年密歇根大学教授Dr.MichaelGrieves在发表的一篇文章中第一次提出了数字孪生

概念,他认为通过物理设备的数据,可以在虚拟(信息)空间构建一个可以表征该物理设备

的虚拟实体和子系统,并且这种联系不是单向和静态的,而是在整个产品的生命周期中都联

系在一起。显然,这个概念不仅仅指的是产品的设计阶段,而延展至生产制造和服务阶段,

但是由于当时的数字化手段有限,因此数字孪生的概念也只是停留在产品的设计阶段,通过

数字模型来表征物理设备的原型。

非淡泊无以明志,非宁静无以致远。——诸葛亮

在那之后,数字孪生的概念逐步扩展到了模拟仿真、虚拟装配和3D打印这些领域,而到了

2014年以后,随着物联网技术、人工智能和虚拟现实技术的不断发展,更多的工业产品、

工业设备具备了智能的特征,而数字孪生也逐步扩展到了包括制造和服务在内的完整的产品

周期阶段,并不断丰富着数字孪生的形态和概念。

2、数字孪生概念的不同形态

数字孪生技术贯穿了产品生命周期中的不同阶段,它同PLM(ProductLifecycle

Management)的理念是不谋而合的。可以说,数字孪生技术的发展将PLM的能力和理

念,从设计阶段真正扩展到了全生命周期。数字孪生以产品为主线,并在生命周期的不同阶

段引入不同的要素,形成了不同阶段的表现形态。

设计阶段的数字孪生

在产品的设计阶段,利用数字孪生可以提高设计的准确性,并验证产品在真实环境中的性

能。这个阶段的数字孪生,主要包括如下功能:

数字模型设计:使用CAD工具开发出满足技术规格的产品虚拟原型,精确的记录产

品的各种物理参数,以可视化的方式展示出来,并通过一系列的验证手段来检验设计

的精准程度;

模拟和仿真:通过一系列可重复、可变参数、可加速的仿真实验,来验证产品在不同

外部环境下的性能和表现,在设计阶段就验证产品的适应性。

例如,在汽车设计过程中,由于对节能减排的要求,达索帮助包括宝马、特斯拉、丰田在内

的汽车公司利用其CAD和CAE平台3DExperience,准确进行空气动力学、流体声学等

方面的分析和仿真,在外形设计通过数据分析和仿真,大幅度地提升流线性,减少了空气阻

力。

制造阶段的数字孪生

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