數字孿生技術在液壓設計中的應用探討

高楠，陳釗，劉全東，肖林

（中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，成都 610213）

0 引言

隨著科學技術的飛速發展和現代機械設備技術要求的不斷提高，液壓技術與現代社會的生產活動日益密切，并在國民經濟各行業以及技術領域都得到了廣泛的應用，應用液壓技術的程度已成為衡量一個國家工業化水平的重要標志。如何讓液壓成為全球視野中的獨角獸，轉變傳統液壓設計的形象，以一種全新的面貌來應對全球工業的發展，是人們長期探索的方向。當前，以數字孿生、人工智能、云計算、大數據等技術為代表的新興學科的迅猛發展，為推進傳統工業設計提供了方法。而其中數字孿生的虛擬世界和物理世界的融合技術更引起了廣泛的關注及應用。液壓設計通過整合新興技術，將會產生飛躍式的質變，并能為用戶提供全新的體驗。將數字孿生技術與液壓設計相結合，來彌補傳統液壓設計的弊端，使得液壓設計向著創新型、智能型發展成為可能。

1 數字孿生技術的發展

數字孿生是指借助數字技術對物理世界對象的行為、特征、性能等進行建模及仿真，并搭建虛擬世界模型，在數字環境中通過物理世界和虛擬世界的數據融合、虛實交互反饋、健康管理，實現對產品全生命周期的數據、模型等集成，構建連接物理世界和虛擬世界的橋梁和紐帶。數字孿生技術作為20世紀以來的新興科學技術，正吸引著學術界、工業界的廣泛關注，如何應用數字孿生技術已成為大家研究的焦點。數字孿生的概念是由美國密歇根大學的邁克爾·格里夫斯（Michael Grieves）教授與美國航空航天局（NASA）的專家約翰·維克斯（John Vickers）共同提出的，并于2003年由格里夫斯教授在所講授的產品生命周期管理（PLM）課程上首次引入［1］。受限于當時的發展水平及大眾認知，并沒有得到廣泛關注。直至2011年美國空軍研究實驗室（AFRL）和NASA合作提出了構建飛行器的數字孿生體，并定義數字孿生為一種面向飛行器或系統的仿真模型，能夠反映實體的功能、實時狀態及演變趨勢等，該技術才真正得到廣泛的關注。

2015年NASA技術發展路線圖中把數字孿生技術列為關鍵技術之一。2017—2019年，連續三年，Gartner公司都將數字孿生列為十大戰略科技發展趨勢［2-3］，并列的還有人工智能、沉浸式體驗、區塊鏈等。2019年、2020年數字孿生概念得到了認同和技術爆發，越來越多的學者研究并利用數字孿生技術解決實際工程問題。其中包括國外的ANSYS公司和PTC公司聯合建立的泵的數字孿生模型、洛克希德-馬丁公司的基于數字孿生的深海探測技術及智能空間平臺，等。國內由陶飛教授領銜的數字孿生小組為研究數字孿生較早的團隊，提出了數字孿生五維模型，并聯合沈陽飛機設計研究所等在內的16家企業共同探討了數字孿生五維模型在衛星/空間通信網絡、船舶、車輛抗毀傷評估等10大領域的應用探索［4］。國內其他廠家，如中興通訊打造了5G+工業數字孿生平臺、能科股份的“油氣生產物聯網軟件模擬仿真及驗證系統”的全方位的數字孿生平臺等。

2 液壓技術的發展

1795年，英國約瑟夫·布拉曼（Joseph Bramah）在倫敦用水作為工作介質，以水壓機的形式將其應用于工業上，誕生了世界上第一臺水壓機，為20世紀液壓的發展奠定了科學與工藝基礎。1905年，美國人詹涅（Janney）首先將液壓介質由水改為油，改善了19世紀工業上以水作為工作介質所帶來的密封問題，進一步推動了液壓的發展［5］。從此，液壓系統開啟了它曲折傳奇的浪漫征程。第一次世界大戰（1914—1918年）后，液壓系統開始被廣泛應用，相繼出現了符合工況的泵閥、馬達等液壓元件。第二次世界大戰（1941—1945年）期間，美國機床中有30%應用了液壓系統［5］，同時由于軍事上的需要，出現了以響應快、精度高為特征的液壓元件和控制系統，將液壓推到了世界舞臺聚光燈下。在1955年前后，日本迅速發展液壓，并于1956年成立“液壓工業會”，隨后，日本液壓發展之快，居世界領先地位。

我國的液壓技術較國外起步較晚，20世紀60年代，我國液壓設計才開始從仿制走向自主研發的道路［5］。20世紀80年代，伴隨著我國液壓技術的發展，液壓泵、液壓閥等基礎件落后于其他國家的問題日益突出，為此，我國先后引進了40余項國外先進液壓技術，并與美國、日本等家國家液壓著名廠家合作，為我國液壓元件更深層次的設計奠定了基礎。如今，我國液壓行業有以江蘇恒立液壓、北京華德液壓、榆次液壓等為代表的龍頭企業，以浙江大學、哈爾濱工業大學、燕山大學等為代表的科研機構，為我國液壓元件的國產化研發提供了支撐。經過多年的技術累積，我國的液壓系統設計已成為一個類別齊全，走向全球的工業學科，同時液壓方面的標準化工作也得到了很大發展。

20世紀50年代以來，隨著全球經濟的發展，生產自動化的不斷提高，液壓技術在機械制造及汽車行業、能源與冶金、各類施工機械、原子能、航空、船舶及武器制造等領域得到了廣泛發展和應用，逐步出現了批量的集成式機電一體化產品，提高了液壓系統的智能化程度和可靠性，并通過計算機仿真技術開展了對液壓元件和系統的動、靜態性能仿真及輔助設計。如今，液壓系統學科已經長成一棵枝繁葉茂的參天大樹，滲透于各行各業，不斷取得令人嘆為觀止的進步，正在對世界經濟、人類生活和社會進步產生極其深刻的影響。21世紀是新一代智能化、信息化、數字化、大數據、云計算等新興技術與液壓系統領域的研究、設計等融合的時代，將新技術引入到液壓設計中，對其的應用領域、行業管理等產生影響并帶來革命性的變化，推動行業進入智能化等時代。

3 數字孿生技術在液壓設計中的應用概括

液壓系統大部分都是用具有連續流動性的液壓油充當工作介質，通過液壓泵將驅動泵的原動機機械能轉換為液體的液壓能，經過壓力、流量方向等各種控制閥，送至執行器中，轉換為機械能去驅動負載，一般都是由動力源、執行器、控制閥、液壓輔件及液壓工作介質等組成，一個簡單的液壓系統原理圖如圖1。

圖1 液壓系統原理

由于液壓系統的龐大，如液壓元件種類多、數量多、工況復雜等，造成液壓設計過程中難點多、困難大，主要有：

（1）液壓元件安裝布局復雜。液壓元件的布置雖不受嚴格的空間位置限制，但卻需要管道之間的聯通來實現系統間的各部分連接，因此空間布局安裝需要多次反復嘗試。

（2）液壓系統設計成本高。液壓元件制造精度要求較高，且需防止和減少泄露，同時部分元件需做樣進行試驗，成本過高。

（3）液壓系統故障診斷困難。液壓元件屬機械元件，結構復雜，設計制造難，因此故障不易診斷。

綜上所述，由于液壓的設計復雜性等，在液壓全生命周期中，引入數字孿生技術，形成液壓系統設計、仿真、校核、測試、運維等全流程的可視化、帶檢測反饋的閉環系統，通過采集與仿真的數據，對系統的運行進行故障診斷與維護，可減少傳統液壓設計所帶來的弊端。

液壓系統數字孿生模型集成了多層次的模型，不同結構層次的物理實體在虛擬空間均需建立相對應的數字孿生模型，如動力源、執行器、控制閥、液壓輔件模等基礎模型；系統運行數據庫模型；含基礎模型的材料強度、剛度等特性的校驗模型等。將Creo/Solidworks作為液壓系統模型搭建的設計軟件，在模型搭建的基礎上添加數據融合，實現虛實間的交互、數據雙向互通，從而促使數字孿生與真實空間中物理實體信息和數據進行連接及交互，實現全生命周期數據統一集中管理，達到最終的實時監測，具體架構如圖2。

圖2 液壓設計數字孿生模型的搭建架構

模型設計過程中可用如下方法進行：

（1）模型輕量化處理。液壓系統模型搭建過程中，高精度建模和仿真數據較多，同時還需考慮動力源、執行器、控制閥、液壓輔件及液壓工作介質間的相互影響，眾多因素影響下，導致模型三維可視化效果實現復雜，因而可對液壓模型進行輕量化處理，對模型的幾何信息進行簡化和壓縮，并對尺寸、屬性、參數等信息進行簡化提取。

（2）ROM降階處理。在保留模型的主要特性，尤其是全3D仿真對應的物理域特性下，對模型進行ROM降階處理，可加快3D仿真的速度、高精度系統數據仿真分析。

（3）3R技術。為保證虛實模型間的真實性，將3R（VR、AR、MR）技術引入到液壓模型搭建過程中，用戶通過使用虛擬交互設備，像在真實環境中一樣對各設備系統進行體驗，驗證設計的合理性，從而對設計提出改進意見，并且由于建模修改的便捷性，這個過程可以迭代多次，確保各系統的適應性。

4 數字孿生技術在液壓集成塊中的具體實施

集成塊（液壓閥塊）是集成式液壓的核心單元，它是安裝元件的支撐體，是一個或多個特別的圓柱孔道的六面閥塊體，其上安裝有各種液壓元件，如液壓閥、管接頭、壓力表等，內部的孔道與元件孔道相連通，構成液壓集成回路，實現液壓控制要求。集成塊在設計時，由于內部復雜的孔道及不一的孔深，導致孔道間有的不相通，有的相通，孔道間相互交錯，如果僅通過二維平面圖，圖紙表現不明確，如圖3。將數字孿生應用于集成塊設計中，可以讓設計人員在前期方案設計中發現問題，避免重復性工作，縮短設計周期、提高設計質量，擺脫“手工”設計模式，同時使集成塊孔道設計及驗證變得更為準確化、標準化、智能化。

圖3 集成塊平面設計

數字孿生在集成塊設計中的步驟有（具體設計流程見圖4）：初步確立原理圖，以壓力、流量為參考，采用液壓公式計算集成塊孔道直徑、孔間壁厚等，并進行初步校核，對液壓元件進行選取。借助三維軟件建模，完成孔道布局設計，搭建集成塊模型，實現力學等有限元分析。同時對搭建的模型進行轉換，以工程實際中的閥組信息為基礎，使用U3D/Q3D引擎軟件對模型進行交互式開發，建立虛擬現實（VR/AR）環境，實現模型可視化、沉浸感。

圖4 數字孿生在集成塊設計中的流程

圖5 集成塊三維模型

VR環境下，集成塊模型可以開發不同的模式。例如，在沙盒模式下，液壓設計人員對集成塊模型進行不同角度及方位的觀察。漫游模式下，設計人員通過使用HTC VIVE Pro頭顯等設備直接進入集成塊內部孔道進行查看，觀察各孔道之間連通區域是否存在干涉，確定孔深及干涉處的調整量，達到人機交互模式下的驗證工作。布置模式下，借助前期搭建的資源設備庫模型，設計人員利用VR手柄/Noitom Hi5動捕手套，選取需要放置的液壓閥，將其放置在集成塊模型上，進行虛擬布局等，如圖6所示。當然在布置模式下，通過將液壓閥放置在未開孔的集成塊上，虛擬平臺可以智能算出最優的布孔方案（包含孔深、孔徑、孔壁等），實時生成集成塊孔道圖，實現虛擬設計等。人因模式下，實時連接液壓泵站系統中的運行數據，反饋在虛擬模型上，進行同步運行等。

圖6 集成塊裝配體

5 展望

隨著新興技術的不斷應用與發展，工業4.0、智能制造等發展戰略的出臺，數字孿生技術開始成為未來設計及制造行業的重要一員。本文基于數字孿生技術，結合液壓設計的特點，提出了數字孿生模型下的液壓虛實融合設計，同時以數字孿生在液壓集成塊的設計為例，分析了液壓集成塊數字孿生模型的流程設計。通過采用數字孿生下的液壓設計，減少傳統設計弊端，使液壓技術的集成變得更加容易，能有效提高液壓系統設計的準確度、精細化等，為推動液壓系統向著智能化、數字化、信息化的發展提供參考。