基于數字孿生概念的實驗探究

曹玉法，王洪申，鄭成凱

(蘭州理工大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

數字孿生 (digital twin, DT) 是通過物理模型、傳感器采集、運行歷史等大量數據，涵蓋多學科、多物理量、多空間和時間尺度、多概率的實時仿真過程[1-3]，它通過在系統的各個部分布置大量的傳感器，收集大量的真實數據，并通過這些數據對真實的物理實體進行建模與分析，在虛擬的空間中將物理實體以數字化模型的形式映射出來，從而可以根據數字化模型的全生命周期過程反映相對應物理實體的實時狀態[4]。借助于各種高精度傳感器和高性能的通信接口, 數字孿生可以利用物理實體在各個維度的精確數據, 對其進行數據分析和模擬仿真[5], 實時反映物理實體的實際情況, 并通過虛實之間的數據和信息交互接口對物理實體進行控制。 數字孿生的基本概念模型主要由3部分組成[6]：1)物理空間的物理模型；2)虛擬空間的虛擬模型；3)物理空間和虛擬空間之間的數據和信息交互接口。

數字孿生在其發展歷程中隨著認知的不斷加深而深化, 主要經歷了3個階段[7]：①數字樣機階段。數字樣機是數字孿生的最初形態, 是對機械產品整機或者具有獨立功能的子系統的數字化描述；②狹義數字孿生階段。由Grieves 教授提出，其定義對象就是產品及產品全生命周期的數字化表征；③廣義數字孿生階段。在定義對象方面，廣義數字孿生將涉及范圍進行了大規模延伸, 從產品擴展到產品之外的更廣泛領域。世界著名的技術咨詢公司 Gartner 連續三年將數字孿生列為十大技術發展趨勢之一[8]，其對數字孿生主要描述為：數字孿生是現實世界實體或系統的數字化表現。因此，數字孿生成為任何信息系統或數字化系統的總稱。

1 實驗臺的搭建與測試方法

數字孿生是對單個產品的全面數字化表示。它通過模型和數據包括現實對象的屬性、條件和行為。數字孿生體是一組真實的模型，可以模擬其在部署環境中的實際行為。為了驗證這個的概念，本文開發了一個彎曲梁實驗臺。

1.1 實驗臺搭建

實驗臺由1個雙線軌精密滾珠絲杠直線滑臺、1個單點式壓力傳感器、57步進電機、步進電機驅動器、步進電機控制器、1個直流開關電源及若干線材、鋁合金搭建的框架構成(圖1)。線路連接如圖2所示。

1—控制器；2—直流電源；3—驅動器；4—步進電機；5—滾珠絲杠滑臺；6—壓力傳感器；7—彈簧鋼試件；8—鋁合金框架。

圖2 線路連接圖

1.2 測試方法

物理孿生體由1個雙線軌精密滾珠絲杠直線滑臺、1個壓力傳感器構成。測試的試件為不同規格的彈簧鋼薄板。試件的一端固定在實驗臺上，另一端安裝在滑臺的滑塊上。在控制器中輸入多次位移值，使控制滑塊進行不同的位移，并在相關軟件中實時記錄傳感器顯示不同的壓力值。

在本實驗中，數字孿生體由彎曲梁(指的是彈簧鋼薄板)的精確Solidworks模型表示(圖3)，夾具和鋁合金框架默認為剛性的。下一階段將進行多體仿真與有限元法仿真相結合，以準確反映整個試驗臺在虛擬空間中的情況。

圖3 精確Solidworks模型圖

為了連接物理孿生體和數字孿生體，選擇了智能生產系統集成的賽博物理系統CPS。真實物理實體的狀態和參數信息可以通過此智能生產系統的圖像數字化生產管理模型反饋，從而能夠使生命周期各個環節的圖像數字化與物理實體模型保持一致，進而使CPS能夠更好地實現用戶動態、實時地評估系統的當前及未來的數字化功能和系統性能。CPS用于控制物理和數字孿生，并通過儀表盤查看彎曲梁的實驗結果。

開始實驗時，打開測量彎曲力的實時記錄軟件。在控制器中輸入最終的位移參數，線性驅動器控制滑臺到達指定位置。數字孿生使用真實的力或位移值，以啟動一個全自動有限元分析。計算結果通過代理推回到CPS，在那里與物理結果進行比較(圖4)。

圖4 物理實體與數字孿生體關聯圖

2 數據對比與實驗分析

2.1 數據對比

本實驗采用6個試件(彈簧鋼薄板)，具體尺寸如表1所示。

表1 試件尺寸表 單位：mm

本實驗主要從兩個方面進行比較，一是應力，二是應變。物理實體上(指的是試件)的應力由傳感器測得，應變由線性驅動器控制；而數字孿生體上的應力、應變則是由ANSYS對試件分析而來(圖5)。

圖5 試件ANSYS分析圖

物理實體測試與數字孿生體測試結果如表2所示。

表2 數據對比表

2.2 實驗分析

通過測試結果表明，考慮測量和制造公差后，物理測試和數字測試之間的偏差仍在誤差范圍之內。由此，驗證了數字孿生概念的準確性。

測試臺目前只是從應力、應變兩個方面進行探究，下一步將會從試件的轉矩以及在產生形變過程中能量的變化等方面進行比對。從試件的內、外兩部分進行分析，從而更清楚地了解試件的工作狀態。通過選取不同的材料，再從各個方面收集大量的數據，從而精確地對數字孿生進行驗證。另外需要明確的是，實驗臺的實驗目的不是計算給定梁的力或者位移，而是將數字孿生的概念演示到實際的系統當中，從彎曲梁這個簡單的實驗中，很容易將這個概念推廣到各個領域的實際系統中。通過對各種傳感器的集成以及對原有Solidworks模型的數據分析，得出兩者之間的聯系，產生了眾多的可能性。傳感器和無處不在的計算機集成已經是社會和工業的主要發展趨勢。然而為單個產品開發數字孿生仍然是一項耗時的手工任務。為了能夠為任何產品或系統實現數字孿生，需要自動生成通用模型。

3 結語

為了驗證數字孿生的概念，開發了彎曲梁實驗臺。目前的設置仍存在局限性，有待進一步研究。下一步是建模并實現動作結構分析。在這種方法中，整個實驗臺都是用關節建模的，所有部件都能在其指定的自由度內運動。彎曲梁本身作為一個靈活的整體，在彎曲梁的有限元分析中，施加在梁上的力不是顯示輸入的，而是線性執行機構各自位移的結果，輸入數據來自物理實體的驅動器。

目前的Solidworks模型是專門為產品開發而設計的，并不是作為數字孿生而存在，這意味著它們不是設計用來表示產品在整個操作階段的實際狀態。所以范式轉換是必要的。在產品開發的所有階段中，需要在開發產品的同時開發產品的數字孿生體模板。當生成物理產品并由此從產品模型實例化時，需要從每個產品實例的數字孿生模板中相應地實例化單個數字孿生。此外，傳統的數據采集和處理方法不能滿足數字孿生范式的需要，需要重新思考。最終的目標是自動派生數字孿生體，并實現與物理實體的通信接口，以使該技術廣泛適用于產品實際中。