【愚公系列】《工业数字孪生与企业应用实践》032-数字孪生的应用方向
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作者简介 | 愚公搬代码 |
头衔 | 华为云特约编辑,华为云云享专家,华为开发者专家,华为产品云测专家,CSDN博客专家,CSDN商业化专家,阿里云专家博主,阿里云签约作者,腾讯云优秀博主,腾讯云内容共创官,掘金优秀博主,亚马逊技领云博主,51CTO博客专家等。 |
近期荣誉 | 2022年度博客之星TOP2,2023年度博客之星TOP2,2022年华为云十佳博主,2023年华为云十佳博主,2024年华为云十佳博主等。 |
博客内容 | .NET、Java、Python、Go、Node、前端、IOS、Android、鸿蒙、Linux、物联网、网络安全、大数据、人工智能、U3D游戏、小程序等相关领域知识。 |
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🚀前言
在数字化转型的浪潮中,数字孪生技术作为一种创新性的方法论,正在各个行业中展现出巨大的应用潜力。通过创建物理实体的虚拟复制,数字孪生不仅可以实时模拟和监控系统状态,还能够为决策提供深刻的洞察,推动业务优化和创新。
🚀一、数字孪生的应用方向
数字孪生的应用得益于物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的发展,已在多个领域得到广泛应用。当前,数字孪生技术被广泛应用于航空航天、电力、船舶、智慧城市、农业、建筑、制造、石油天然气、健康医疗、环境保护等多个行业。在工业领域,数字孪生技术涵盖了产品全生命周期的各个环节,包括产品研发设计、工艺规划与仿真验证、生产过程仿真、生产设备的监控优化以及高价值智能产品的运维服务等。
🔎1.产品研发设计
数字孪生技术在高品质、高精度产品开发中发挥着重要作用,能够提高设计精准性并验证产品在真实环境中的表现。
需求驱动的产品设计
- 需求分析:需求是影响产品结构、配置和功能的根本因素,微小的需求变化可能带来巨大设计变化。通过数字孪生技术,可以进行需求分析,快速设计变更和配置集成。以往产品中可能包含当前产品的需求与配置数据,参考历史产品即可迅速确定新产品的参数信息,节省研发初期投入的时间和资源。
设计与仿真
- 数字建模与协同设计:设计过程是将产品概念转化为数据。数字孪生技术通过数字建模、仿真工具、虚拟现实(VR)、物联网等手段,将产品的属性映射到虚拟空间,研发团队可在虚拟空间进行协同设计。这显著提高了研发效率、缩短了研发周期,并降低了研发风险。
- 仿真测试与优化:数字孪生技术允许进行成品仿真测试,节省时间、精力和成本,并在研发阶段及时进行优化,提升产品的可靠性和稳定性。
- 优化设计:传统产品设计往往需要多次试验和修改,而数字孪生通过模拟产品的运行状态,帮助企业评估不同设计方案的优劣,及时发现并纠正设计问题。它还能够快速更新设计方案,评估新工艺方案的可行性与优化效果,提升工艺创新的成功率和速度。
具体案例
- 汽车研发:汽车研发涉及多个专业领域,包括物理结构设计、电气工程、软件工程等,传统设计需要大量实物试验。数字孪生通过3D数字建模,减少设计周期并提高设计质量。在汽车设计中,它可以模拟车辆的行驶情况,优化各部件,提高安全性和性能,增强竞争力。
- 工程机械研发:例如起重机的研发,通过数字孪生技术对臂架的使用数据进行实时分析,研发人员可以根据实际应力和负载情况优化设计,避免盲目增强所有部件,降低成本并提高安全性。
航空航天与国防
- 飞机设计:数字孪生技术在飞机设计中,通过3D数字建模,提升设计效率。它能够对飞机部件进行精准计算和模拟,预测飞行过程中的各种情况,提前识别潜在问题并优化设计,从而提高飞行安全性和性能。
数字孪生技术有效减少了产品研发中的试验次数,优化设计方案,降低了研发成本。同时,它也促进了智能产品的研发,通过集成传感器等技术,实现更加智能、高效、绿色的产品。当前,数字孪生正在快速应用于汽车制造、飞机制造、机械零部件等领域,帮助企业提升研发效率、优化生产制造水平、节约成本,并增强市场竞争力。尽管在技术成熟度、数据采集与处理等方面仍存在挑战,但随着技术的不断进步,数字孪生将在产品设计等领域得到更加广泛的应用,推动数字经济的快速发展。
🔎2.工艺规划与仿真
工艺规划与仿真将设计阶段的成果转化为车间实际可行的加工工艺流程。数字孪生技术在这一过程中的应用可以显著提升工艺流程的效率和准确性。
工艺流程的虚拟仿真
- 数字化建模与仿真验证:通过对工艺流程和设备的数字化建模,数字孪生技术实现了产品加工过程的虚拟仿真和验证。通过对产品信息、工艺信息、生产线信息和制造资源信息进行结构化管理,帮助企业实现精细化的生产管理,并为生产排产提供准确的输入。
- 生产线仿真调试:数字孪生技术可以在虚拟环境中提前进行生产线的仿真调试,及时发现生产线规划、逻辑控制等方面的问题。生产线的可行性可以通过评估加工设备、检测设备、物流设备、智能工装和控制系统等多种因素进行全面审查。
数字化经验管理
- 经验数字化与复制:在传统工业设计中,经验往往难以传承和教学。数字孪生技术通过数字化手段,将原本无法保存的经验转化为信息库,支持无数次的复制。通过智能特征识别,设计特征可以自动转换为对应的工艺,为工艺工程师提供了有效的决策依据。
工艺优化与改进
- 工艺流程优化:数字孪生技术能够帮助企业针对不同产品特性和生产环境进行不同的工艺流程设计。通过数字化建模模拟生产流程,分析生产瓶颈,并提出相应的改进方案。这种优化能有效提高生产效率和产品质量,进而提升企业的竞争力和盈利能力。
数控加工与仿真
- 数控加工中的应用:数控加工是解决零部件加工中批量小、形状复杂、精度要求高等问题的有效途径。然而,传统的工艺测试方法会耗费大量资源,且有潜在的设备损坏风险。数字孪生工艺仿真测试可以在计算机上完成整个加工过程的模拟,减少实际试切带来的资源浪费,并能够验证工艺程序的可行性,确保加工过程的安全性。
焊接工艺仿真
- 整车制造中的应用:在汽车整车制造中,数字孪生技术能够帮助工艺技术人员对焊接工艺进行数字化仿真。例如,在焊接工艺过程中,可以通过仿真验证焊点可达性、焊点分配、焊钳选型、机器人选型等,减少实际工艺试验次数并优化设计。
车间数字化建模与生产线仿真
- 车间与生产线仿真:数字孪生技术可以将车间和生产线进行1:1数字化建模,实时同步实际生产活动。通过虚拟生产产生的孪生数据进行分析和优化,提升生产效率和质量。数字孪生能够通过虚拟环境验证生产线的排产、工艺流程的正确性、加工设备的效率等,降低产品制造风险,并加速产品优化。
🔎3.生产过程仿真
生产过程仿真是按照工艺流程加工产品的过程,涵盖了广泛的企业资源和复杂的流程。数字孪生技术在这一阶段的应用不仅限于三维模拟,还包括生产过程的持续监控、异常分析和决策支持。
数字孪生车间
- 虚拟车间与实时监控:在生产前,数字孪生技术可以通过虚拟生产方式模拟不同产品、参数和外部条件下的生产过程,预判产能、效率和潜在瓶颈,进而优化生产过程。通过数字孪生车间的构建,可以实现生产过程的实时监控、优化和预测,减少实际生产中的缺陷和隐形风险。
智能化生产与风险预测
- 智能化与自动化:数字孪生系统可以通过对设备进行实时监控与调整,推动生产过程的自动化与智能化,提高生产效率和品质稳定性。同时,数字孪生能够预测生产过程中的故障和风险,并提供预警和应对方案,保障生产的顺利进行。
工厂生产过程的仿真与优化
- 生产全过程仿真:通过数字孪生技术,整厂的生产过程可实现数字化建模。通过传感器和设备的数据实时监控,能够优化生产过程并提高透明度。此外,数字孪生还可以建立指标体系,评估车间、生产线和设备的运行状态,进一步提高生产效率。
汽车发动机生产实例
- 数字孪生在发动机生产中的应用:以汽车发动机生产为例,通过物联网和数字化建模,对生产现场进行全面数字孪生建模。通过3D建模与传感器数据实时监控,可以实现生产线的远程监控、质量溯源和低库预警,优化生产过程,提升生产透明度并减少潜在的生产风险。
🔎4.设备监控优化
随着生产设备的增多,数字孪生技术成为智慧管理的主流趋势。数字孪生技术通过建立虚拟设备模型,实现对设备的实时监控、状态分析、优化及故障预测,提升设备的效率与可靠性,支持工业生产。
🦋4.1 设备监测
- 实时监控:通过数字孪生技术,能够远程实时监控设备运行状态,确保虚拟设备与实际设备的同步。结合物联网传感器数据,可以全面收集设备的物理量数据。
- 智能分析:借助算法模型,对采集的数据进行智能分析,监测设备的健康状况、轴承磨损、润滑情况等原本难以检测的维度。
- 故障预警:当设备出现故障时,系统能及时发现并进行维修,避免设备停机时间过长,减少生产效率损失。
🦋4.2 设备优化
- 通过数字孪生技术优化设备结构和性能,降低设备的重量和能耗,减少故障发生率,从而提高设备的运行效率和可靠性。
🦋4.3 设备故障预测
- 数字孪生技术可通过模拟设备运行和故障测试,提前预测可能出现的故障。利用机器学习和人工智能技术,优化维修策略,确定最佳的维护时机,避免过度维修或故障恶化。
- 维护计划:通过预测设备寿命和维护周期,系统会提供针对性的维护计划,帮助企业降低维护成本,延长设备使用寿命。
☀️4.3.1 数据层工业设备监测应用
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数字孪生技术能够为生产线上的每一台设备建立虚拟数字模型,实现“无人化、自动化”生产管理。管理者可以通过3D可视化,实时了解设备运行状态、生产数据、设备的OEE(整体设备效率)、产量、质量、能耗等重要指标。
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智能巡检:系统通过智能预警,实时监控设备的状态,发现故障时,自动定位并通知维护人员,减少人工巡检,提高工作效率。
☀️4.3.2 数控机床和机械设备监控
- 数控机床的数字孪生技术,通过工业互联网与OPCUA协议,将不同品牌和协议的机床设备连接,实现设备状态的实时监控与管理。
- 车间通过数字孪生技术的实时数据整合,可以精确追踪设备的工时、损失率、报警等信息,优化生产调度与维修管理。
☀️4.3.3 其他领域应用
- 动车车辆监控:数字孪生技术能模拟动车的运行状态,实时监控车辆的各项参数(如加速度、减速度、转向角度等),及时发现异常并采取措施,确保安全运行。
- 电力设备监控:通过数字孪生技术,实时监控电力设备的状态和需求,优化电力供需平衡,确保电网的稳定运行。
🔎5.智能产品运维
在高价值智能产品,尤其是高端智能装备的运维服务中,数字孪生技术通过实时采集装备运行过程中的传感器数据,并将这些数据传递到数字孪生模型中进行仿真分析,从而实现以下几个关键目标:
🦋5.1 实时监控与预测维护
- 实时监控:通过数字化建模和监测,实时跟踪智能产品的运行状态,确保其健康。
- 预测维护:基于数字孪生模型的分析,预测产品故障及维修需求,提前预警并采取预防措施。
- 优化与调整:通过对产品数字孪生系统的优化和调整,提高产品的使用效率与稳定性,降低故障率和维护成本。
🦋5.2 寿命与维护周期预测
- 寿命预测:数字孪生技术不仅可以监控当前状态,还能预测产品的使用寿命及维护周期。
- 维护计划:根据预测结果,系统可以提供优化的维护计划,帮助延长产品的使用寿命,并提升其价值。
🦋5.3 工况变化的虚拟验证
- 工况变化处理:当产品的运行工况发生变化时,相关调整措施可先在数字孪生模型上进行仿真验证。如果仿真结果无问题,再对实际产品进行调整。
🦋5.4 数字孪生在运维中的重要性
- 运维保障费用:产品的运行维护阶段费用占其整个生命周期费用的最大比重,是生命周期费用的核心组成部分。
- 全面数据采集:在运维阶段,数字孪生技术能够实时监控产品的物理空间,包括位置、使用环境、设备健康、功能履行、资源消耗等。
- 虚拟空间分析:通过虚拟空间模拟,结合历史数据,分析产品的性能、健康状况及寿命,提前预判可能出现的故障并发出预警。
- 优化维修计划:结合管理技术,整合维修资源、优化维修计划,以实现最佳维修效果和经济效益。
🦋5.5 航空发动机运维
- 个性化模型:航空发动机的数字孪生模型需根据每台发动机的独特飞行履历、环境差异、健康状态等信息来定制。
- GE航空的应用:GE航空利用数字孪生技术进行实时监控,分析发动机的飞行路线、承载量、飞行员习惯等数据,及时发现故障隐患并预测风险,提升飞行安全性。
- 设计改进:通过分析发动机数据,优化设计方案,延长发动机使用寿命。
🦋5.6 铁道交通车辆运维
- 实时数据反馈:数字孪生技术能捕捉铁道交通车辆的实时数据,反馈其运行状态及工况环境,促进虚实数据的实时互通。
- 智能监控与预警:系统能监控高速动车的关键安全参数,提供状态评估、故障诊断和预测,帮助实现“状态修”而非“计划修”,降低运营维护成本。
- 铁路基础设施管理:智能运维管理平台可动态监控铁路基础设施,进行在线评估、实时预警、智能管控,推动高速铁路的智能运维。
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