產(chǎn)品設(shè)計域數(shù)字孿生模型演化過程及方法研究

李宏宇，康獻民，謝啊奮，陳堯，黃光潤

(五邑大學智能制造學部，廣東江門 529020)

0 前言

2021年3月，國家“十四五”規(guī)劃綱要明確提出要“探索建設(shè)數(shù)字孿生城市”，為建設(shè)數(shù)字孿生城市提供了國家戰(zhàn)略指引。數(shù)字孿生技術(shù)是通過數(shù)字化重構(gòu)物理世界中的實體，目的是映射物理世界中的實體。基于此模擬和復現(xiàn)物理世界中實體的動態(tài)和性能，進而將它應(yīng)用于設(shè)備設(shè)計與制造，實現(xiàn)調(diào)試與維護。現(xiàn)階段，在設(shè)計域數(shù)字孿生技術(shù)研究方面，文獻[1]分析了現(xiàn)有智能產(chǎn)品概念結(jié)構(gòu)技術(shù)系統(tǒng)的不足，針對其設(shè)計需求，提出以創(chuàng)新設(shè)計為目標，構(gòu)建了一種產(chǎn)品數(shù)字孿生體功能模型方法，實驗結(jié)果表明：該方法可以有效展示其概念結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)問題并改進。文獻[2]針對工業(yè)鍋爐設(shè)計過程的優(yōu)化問題，結(jié)合工業(yè)鍋爐設(shè)計和數(shù)字孿生技術(shù)，以設(shè)計過程優(yōu)化為核心、數(shù)字孿生為基礎(chǔ)提出新的設(shè)計思路，并構(gòu)建了數(shù)字孿生驅(qū)動工業(yè)鍋爐數(shù)字化設(shè)計技術(shù)框架，為數(shù)字孿生技術(shù)在數(shù)字化設(shè)計的應(yīng)用提供一定的思路和參考。文獻[3]針對物理產(chǎn)品設(shè)計和制造過程中的數(shù)字孿生建模需求，提出基于表面造型概念的綜合參考模型，詳細介紹了相關(guān)概念、表達方法以及在產(chǎn)品生命周期中的應(yīng)用。文獻[4]將數(shù)字孿生技術(shù)和TRIZ結(jié)合應(yīng)用在概念設(shè)計階段，提取設(shè)計過程中重要參數(shù)并將參數(shù)的演化應(yīng)用于數(shù)字孿生技術(shù)中，服務(wù)于產(chǎn)品全生命周期，并以設(shè)計立體車庫的實例說明了該方法的有效性與科學性。文獻[5]討論了復雜產(chǎn)品設(shè)計和制造信息物理融合的問題，構(gòu)建了基于數(shù)字孿生技術(shù)復雜產(chǎn)品環(huán)形設(shè)計框架，分析了數(shù)字孿生技術(shù)在復雜產(chǎn)品設(shè)計制造一體化應(yīng)用方法。文獻[6]在數(shù)字孿生模型構(gòu)建方面，首先分析需求并提出了系統(tǒng)原理與功能結(jié)構(gòu)，利用OPC UA技術(shù)構(gòu)建了通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，完成了實時數(shù)據(jù)對虛擬模型的實時映射。文獻[7]針對復雜產(chǎn)品設(shè)計階段多學科協(xié)同性差、研發(fā)成本高問題，將數(shù)字孿生的理念引入到復雜機械產(chǎn)品多學科協(xié)同設(shè)計中，提出產(chǎn)品數(shù)字孿生技術(shù)協(xié)同設(shè)計建模架構(gòu)，并以具體實例證明該理論及優(yōu)化方法的有效性，為數(shù)字孿生技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計和制造應(yīng)用提供了一定參考價值。

根據(jù)設(shè)計理論與數(shù)字孿生概念，本文作者提出產(chǎn)品設(shè)計域數(shù)字孿生模型演化方法，并以曳引式電梯為例進行驗證。首先，通過對電梯用戶的需求分析與電梯概念模型演化、結(jié)構(gòu)模型演化與模型演化獲得初步的電梯數(shù)字孿生模型；其次，完成電梯虛擬模型的運動動力學仿真與物理電梯數(shù)據(jù)的采集；再次，通過對振動仿真數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)對比完成參數(shù)模型驗證；最終得到合理的數(shù)字孿生電梯模型。

1 設(shè)計域數(shù)字孿生模型演化架構(gòu)

在數(shù)字孿生模型的設(shè)計階段，為了減少用戶對需求產(chǎn)品的開發(fā)與后期模型優(yōu)化的成本，結(jié)合數(shù)字孿生基本概念以及研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)階段、產(chǎn)品階段、使用維護階段的概念，提出了設(shè)計域數(shù)字孿生演化方法，如式(1)所示：

DDT=(DA，CMe，SMe，PMe，MV)

(1)

式中：DA表示需求分析；CMe表示概念模型演化；SMe表示結(jié)構(gòu)模型演化；PMe表示參數(shù)模型演化；MV表示數(shù)字孿生模型驗證[8]。

對設(shè)計域的數(shù)字孿生技術(shù)進行了以下定義：設(shè)計域的數(shù)字孿生技術(shù)是指根據(jù)產(chǎn)品需求以及充分利用的歷史數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗等數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對產(chǎn)品在“概念模型演化-結(jié)構(gòu)模型演化-參數(shù)模型演化”三域中分別實現(xiàn) “設(shè)計-評價-反饋-迭代”的封閉循環(huán)，并最終生成詳細的產(chǎn)品設(shè)計方案來滿足用戶需求。根據(jù)上述定義，建立機電產(chǎn)品設(shè)計域數(shù)字孿生模型演化架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 設(shè)計域數(shù)字孿生模型演化架構(gòu)

在設(shè)計域數(shù)字孿生模型演化架構(gòu)中，將機電產(chǎn)品的設(shè)計過程分為5個部分，分別為：需求分析、概念模型演化、結(jié)構(gòu)模型演化、參數(shù)模型演化與基于歷史數(shù)據(jù)的設(shè)計域數(shù)字孿生模型驗證。首先，在需求分析階段(DA)分析需要建立數(shù)字孿生體的機電產(chǎn)品用戶的需求，并將分析生成的需求模型提供給概念模型演化過程，在概念模型演化(CMe)過程中經(jīng)過評價迭代生成合理的概念模型；再將概念模型進行理論計算，與結(jié)構(gòu)計算生成基本結(jié)構(gòu)模型，并在結(jié)構(gòu)模型演化(SMe)過程中經(jīng)過迭代優(yōu)化，最終經(jīng)過評價獲得合理的結(jié)構(gòu)模型；最后結(jié)構(gòu)模型通過參數(shù)模型演化(PMe)過程中的迭代優(yōu)化與評價生成合理的參數(shù)模型。得到初步的機電產(chǎn)品數(shù)字孿生模型后，將物理實體的監(jiān)測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進行對比并查看誤差情況，若誤差過大則回到需求分析階段進行修改與循環(huán)，反之則獲得合理的數(shù)字孿生體。以機電產(chǎn)品曳引式電梯為研究對象，完成并驗證電梯設(shè)計域數(shù)字孿生模型演化架構(gòu)。

2 設(shè)計域數(shù)字孿生模型演化過程

2.1 面向電梯產(chǎn)品的需求分析

因為用戶需求模糊性、多樣性的特點，因此直接收集到的用戶數(shù)據(jù)無法用于分析和設(shè)計。在得到電梯用戶需求數(shù)據(jù)后，為建立電梯的用戶需求模型，引入需求元的概念對用戶需求進行表達[9]。

構(gòu)成用戶需求模型的用戶需求元具有一定的層次性，并且相互關(guān)聯(lián)。在此基礎(chǔ)上，通過分析某些用戶需求的特點，可以用層次樹來表達電梯產(chǎn)品的層次結(jié)構(gòu)。基于拓撲結(jié)構(gòu)的用戶需求模型添加需求類別可以對需求元進行分組，使用戶需求模型看起來更加直觀，便于設(shè)計人員理解和使用。在構(gòu)建用戶需求模型時，使用需求元素表示原始的用戶需求描述，然后根據(jù)需求類別對需求進行分類，并根據(jù)上述方法對復合需求元進行分解，從而獲得一系列粒度不同的子需求元，然后根據(jù)需求的層次和關(guān)聯(lián)關(guān)系對需求進行組織，從而使用戶需求模型層次結(jié)構(gòu)清晰、易于理解。圖2所示為基于拓撲結(jié)構(gòu)的用戶需求模型。

圖2 基于拓撲結(jié)構(gòu)的用戶需求模型

圖2中，分解處理所得需求元層只有一層需求元，帶箭頭的實線標識了用戶總體需求與各原需求元之間的組成關(guān)系，帶箭頭的虛線由原用戶需求元指向分解處理所得到的用戶需求元，標識了用戶需求元之間的分解處理關(guān)系。根據(jù)該需求模型的拓撲結(jié)構(gòu)對其中的需求元、需求類別進行編號。以用戶評論數(shù)據(jù)中某用戶的需求作為輸入，得到圖3所示某用戶的需求模型[10]。

2.2 概念模型演化

為了更好地處理曳引式電梯概念模型演化過程中大量的用戶數(shù)據(jù)以及功能運行、設(shè)計及驗證評價等步驟的相互關(guān)系，在電梯設(shè)計域中應(yīng)用數(shù)字孿生思想設(shè)計概念模型，提出了基于SysML虛擬運行的產(chǎn)品設(shè)計域?qū)\生概念模型構(gòu)建和演化方法[11-12]。圖4所示為電梯設(shè)計域數(shù)字孿生概念模型演化框架。

圖4 電梯設(shè)計域數(shù)字孿生概念模型演化框架

為了更好地處理機電產(chǎn)品設(shè)計域中大量用戶數(shù)據(jù)、功能運行、設(shè)計及驗證驗證目標產(chǎn)品的概念模型，在機電產(chǎn)品設(shè)計域中應(yīng)用數(shù)字孿生思想設(shè)計概念模型，提出了基于SysML虛擬運行的產(chǎn)品設(shè)計域?qū)\生概念模型構(gòu)建和演化的方法。首先，以需求模型為切入點，獲取用戶新需求、歷史數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗；其次，進一步細化需求、活動分析和分解功能，構(gòu)建產(chǎn)品的功能模型，在邏輯架構(gòu)和形態(tài)學矩陣下進行組件分配，形成初步概念模型，最后通過合理的評價方法進行優(yōu)化迭代并反饋為合理的概念模型，如圖5所示。

2.3 結(jié)構(gòu)模型演化

圖6所示為電梯結(jié)構(gòu)模型演化過程，需求分析通過概念模型演化得到了概念模型，再經(jīng)過詳細理論計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計得出基本結(jié)構(gòu)模型[13]。按照結(jié)構(gòu)模型基本評價指標進行綜合評價，其結(jié)果依據(jù)評價標準判斷是否進行下一步，如果其結(jié)果不滿足要求則返回，繼續(xù)進行結(jié)構(gòu)模型設(shè)計，直到結(jié)果符合要求才進行控制系統(tǒng)設(shè)計。最后，基于數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)中的虛擬調(diào)試技術(shù)[14]，對電梯進行控制程序驗證和運動學的位移、速度和加速度參數(shù)的提取，按照運動學評價指標進行評價，其結(jié)果依據(jù)評價標準判斷是否進行下一步，如果結(jié)果不滿足要求則返回，繼續(xù)進行結(jié)構(gòu)模型設(shè)計，直到結(jié)果符合要求才確定最終的合理結(jié)構(gòu)模型。其結(jié)構(gòu)模型與虛擬調(diào)試過程如圖7、8所示。

圖8 虛擬調(diào)試過程

2.4 參數(shù)模型演化

設(shè)計域數(shù)字孿生模型參數(shù)模型演化過程如圖9所示，通過概念模型和結(jié)構(gòu)模型兩大演化過程得到了結(jié)構(gòu)模型，通過需求分析建立評價指標和確定權(quán)重的評價方法。將不同的參數(shù)模型仿真獲取的數(shù)據(jù)匯總，選擇出參數(shù)模型，其結(jié)果依據(jù)評價標準判斷是否進行下一步，如果評價的結(jié)果不滿足要求則返回繼續(xù)進行參數(shù)模型設(shè)計，直到結(jié)果符合要求才確定最終的合理參數(shù)模型，最后確定設(shè)計域的數(shù)字孿生模型。

圖9 設(shè)計域數(shù)字孿生模型參數(shù)模型演化過程

3 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的參數(shù)模型驗證

通過概念、結(jié)構(gòu)與參數(shù)模型演化得到曳引式電梯數(shù)字孿生模型，通過對比轎廂運行中所產(chǎn)生的振動狀況來驗證孿生模型。在相同環(huán)境條件下，通過2種方法采集電梯運行數(shù)據(jù)：一種是利用傳感器對物理實體電梯進行速度、加速度與振動數(shù)據(jù)采集；第二種是仿真獲得振動數(shù)據(jù)，通過2種數(shù)據(jù)對比、分析并驗證孿生模型及演化的可行性。

3.1 運動學仿真

對電梯虛擬模型進行運動學仿真，以獲得電梯在不同加速度下的位移、速度和加速度數(shù)據(jù)曲線[15]，如圖10所示。

3.2 動力學仿真

由于電梯鋼絲繩屬于柔性體，因此使用離散法對鋼絲繩進行建模[16]，圖11所示為鋼絲繩各離散單元之間、離散單元與曳引輪之間的約束與受力關(guān)系。

圖11 鋼絲繩曳引輪約束關(guān)系

根據(jù)實際物理電梯額定載質(zhì)量，選擇仿真電梯載質(zhì)量為200 kg，以運動仿真所得到的運行曲線作為輸入，對數(shù)字孿生電梯模型的振動情況進行仿真。仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 電梯轎廂振動曲線

由圖12可知：電梯轎廂垂直振動加速度的最大值為218.30 mm/s2，A95值為417.08 mm/s2；水平振動加速度的最大值為181.18 mm/s2，A95值為339.20 mm/s2。其中A95振動峰峰值是指在規(guī)定的范圍內(nèi)95%振動的峰峰值所低于的振動峰峰值。

3.3 物理模型監(jiān)測數(shù)據(jù)對比驗證

參與測試的實際物理電梯額定最大載質(zhì)量為1 600 kg，實際測量時電梯載質(zhì)量與仿真模型載質(zhì)量一致，均為200 kg，實際測量曳引式電梯振動情況如圖13所示。

圖13 電梯實體振動情況

由圖13可知：電梯轎廂垂直振動加速度的最大值為197.94 mm/s2，A95 值為371.29 mm/s2；水平振動加速度的最大值為166.92 mm/s2，A95 值為269.16 mm/s2。與仿真曲線相比誤差較大，分別為10.30%、12.33%、8.54%、26.02%，由于特征數(shù)據(jù)誤差較大，故可以推斷出此數(shù)字孿生體不符合要求。再根據(jù)設(shè)計域數(shù)字孿生演化方法對迭代優(yōu)化后產(chǎn)生的數(shù)字孿生模型進行仿真，獲得了圖14所示的振動情況。

圖14 優(yōu)化后數(shù)字孿生模型振動仿真曲線

在圖14中，電梯轎廂垂直振動加速度的最大值為205.69 mm/s2，誤差為3.90%，A95值為359.09 mm/s2，誤差為3.29%；水平振動加速度的最大值為150.26 mm/s2，誤差為9.98%，A95值為256.65 mm/s2，誤差為4.64%。與迭代優(yōu)化前的數(shù)字孿生模型相比，誤差有明顯降低，并與物理實體電梯的振動曲線更加吻合，由此可證明所提出的設(shè)計域數(shù)字孿生演化方法的可行性。

4 結(jié)論

為了解決如今機電產(chǎn)品需求多樣化、動態(tài)需求適應(yīng)性差、設(shè)計階段離散、設(shè)計周期長等問題，用數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)對機電產(chǎn)品設(shè)計階段的研發(fā)設(shè)計進行了研究，提出了一種以需求分析-概念模型演化-結(jié)構(gòu)模型演化：參數(shù)模型演化作為設(shè)計域數(shù)字孿生模型演化方法的思路，并分別在各個演化過程中加入了迭代優(yōu)化過程，以此獲得數(shù)字孿生模型，最終根據(jù)該模型獲得仿真數(shù)據(jù)，測得實際數(shù)據(jù)后，將兩者進行對比完成數(shù)字孿生模型驗證，并根據(jù)誤差結(jié)果來判斷是否進行優(yōu)化。

為了驗證所提出的設(shè)計域數(shù)字孿生模型演化方法的可行性，以機電產(chǎn)品曳引式電梯為研究對象，首先，分別對該演化方法的各個部分進行了解釋，并通過建立電梯的需求模型、概念模型、結(jié)構(gòu)模型與參數(shù)模型完成了電梯數(shù)字孿生模型的創(chuàng)建；其次，對該模型進行了運動動力學仿真以獲得其振動參數(shù)；最后，通過實際電梯振動數(shù)據(jù)與仿真振動數(shù)據(jù)的對比、優(yōu)化，獲得了更加精確的數(shù)字孿生模型，驗證了所提出的演化方法的可行性。