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數字孿生的實現使用了哪些技術?

發布時間:2022-1-18 18:08:15

由于數字化設計、虛擬仿真和工業互聯網(工業物聯網)等關鍵使能技術的發展繁榮,數字孿生迅速成為一種潮流。


數字化設計技術由早期的二維設計發展到三維建模,由三維線構型演變為三維實體造型、特征造型,產生了直接建模、同步建模、混合建模等技術,以及面向建筑和建筑行業的建筑信息模型技術(building information modeling,BIM)。比如:數字孿生城市,實現城市3D可視化展示

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三維建模技術不僅應用于產品的設計階段,而且能夠實現三維工藝設計。在大多數三維模型中,產品不僅包含幾何信息、裝配關系,還包含產品制造信息。主要包括:尺寸、公差、形位公差、粗糙度和材料規格等信息。并使用這些信息來實現MBD(基于模型的產品定義)。

為實現產品三維模型的快速瀏覽,可從包含三維工藝特征的完整三維特征模型中提取出包括幾何信息的輕量化三維模型。虛擬現實(VR)以三維造型和三維顯示技術為基礎,被廣泛應用于汽車、飛機、工廠等復雜物體的虛擬體驗,其中包括浸入式虛擬現實系統Cave、產品展示和市場推廣的三維繪制技術,以及基于視景仿真的模擬駕駛技術等。


近來增強現實技術已經得到了快速地發展,它的特點是能夠把實物模型與數字模型融合在一個可視化環境中,從而實現了傳感器數據的可視化,也能對產品操作、裝拆和維修過程進行三維可視化,實現了產品操作培訓、維護等應用。

如今在多個領域中,虛擬仿真技術已由有限元分析發展到對流場、熱場、電磁場等多種物理場模擬。實現對振動、碰撞、噪聲、爆炸等各種物理現象進行模擬。對產品進行運動模擬,并進行材料力學、彈性力學和動力學模擬;對產品進行長期使用的疲勞模擬;系統地對整個產品進行模擬,針對各種加工工藝的模擬,以及裝配模擬。幫助產品實現多學科仿真,以達到整體性能最優的效果。在區分仿真對象的基礎上,虛擬仿真技術可分為產品性能模擬、制造過程模擬和數字化工廠模擬。 數字孿生可視化的應用及案例

數字化設計技術與虛擬仿真技術的開發與綜合應用產生了:數字原型(digital mockup,DMU),數字樣機(digital prototyping),虛擬樣機(virtual prototype),全功能虛擬樣機(functional virtual prototype)。

主要用于實現復雜產品的運動模擬、裝配模擬和性能模擬。利用數字樣機進行虛擬實驗,可以減少物理樣機和物理樣機的數量,從而降低產品開發和試制成本,進一步提高了研發的效率。


同時隨著傳感器技術和無線通信技術的發展。21世紀以來物聯網的應用日益廣泛。工業物聯網(IIoT)除了應用于消費領域外,為支持高價值工業設備的運行監控與維護維護,已開始引起業界的廣泛關注。IIoT所采集到的數據類型和頻率均高于一般物聯網,其所應用的數學模型及分析方法也遠比一般物聯網系統復雜。

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隨著學術界的研究和工業巨頭如GE、西門子的示范作用,數字孿生技術開始受到人們的廣泛關注。

2016年6月,在西門子工業軟件全球媒體和分析家會議上,西門子運用了諸如數字孿生(digital twin)、數字主線(digital thread)等術語。

數字孿生技術的產生,設計除了與物理模型相對應的數字孿生模型。然后用數字孿生模型進行實驗,最終再還原到物理模型,并通過分析數字孿生模型來優化物理模型的運行。除以上技術外,工業大數據、人工智能等技術也是數字孿生的關鍵使能技術。


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