數字孿生的概念我們可以知道,這是一項充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史數據等,集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程,在虛擬空間中完成映射,從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程的技術。

數字孿生技術的組成和相對關系如圖1所示。這項技術應用面非常廣泛,可以在產品設計、產品制造、醫學分析、工程建設等領域應用。特別是在工程建設領域也有非常多的應用實例。在汽車制造業來看,如果把汽車工廠作為產品,也就是數字孿生技術應用對象來看待,我們就可以將工廠中的土建、公用、工藝等設施按照產品的全生命周期進行管理。根據多物理因素和多維度數字模型,運用數值分析技術可以開展建筑物理性能分析和結構健康管理。對于汽車工廠的技術改造,可利用數字孿生技術的數字空間和物理空間信息的雙向共享交互和全面追溯,進行方案比對,參數優化和可實施性驗證等。

圖1?數字孿生技術

為了準確表示汽車工廠的幾何特征,需要創建高精度建筑工程和工藝裝備的數字模型;為了顯現汽車工廠的物理特性,需要創建可視化車間建筑物理性能數字模型;對于技術改造工程為了取得最佳的技術方案,在已有數字模型基礎上,可以運用計算機技術進行方案優化和參數優化。

汽車工廠的主要建筑功能如圖2所示。

圖2 汽車工廠建筑功能示意

1 工程概況

某汽車廠總裝及車身車間于2009年設計,2011年左右建成試運營。主體結構設計使用年限50年,建筑結構安全等級為二級?？拐鹪O防分類為丙類,設防烈度為7度,設計基本地震加速度值為0.10g,設計地震分組為第一組?？蚣芸拐鸬燃墳槿?。采用鋼筋混凝土獨立基礎。屋面網架按照結構縫分為四個區域?？偨ㄖ娣e79237.29m2,車間建筑面積68413.9m2,車間建筑高度14.19m。主廠房結構形式為混凝土柱鋼網架結構,桿件強度等級Q235,螺栓球為45號鋼,混凝土柱強度等級C30。車間內部建筑結構形式如圖3所示。

圖3 總裝車間內部結構

根據汽車產品更新換代的需要,車間里的裝配生產線以及工藝布置也要改變。新設計的裝配工藝設備在車間網架結構上的吊點位置和工藝荷載不同,這就要求工藝設計人員掌握原結構的幾何特征和物理特征等的相關參數。幾何特征是指建筑的空間尺寸、柱網尺寸、構件形狀、節點位置等。物理特征是指結構的承載能力、結構的動力特性、剛度和變形等。本文針對此改造工程的技術要求,深入探索一下數字孿生的應用效果。2 數字建模在工業建筑中通常包括兩部分內容:1)工藝裝備。2)土建公用。通過數字建?？梢杂行У膶⑼两l件和工藝要求結合起來。對于汽車工廠的數字建模,可采用兩種方法:1)正向建模:根據設計的施工圖或三維設計文件生成數字模型。2)逆向建模:根據廠房實際狀況,現場掃描,經過翻模處理構成數字模型。其建模過程如圖4所示。

圖 4 建模流程示意

就理論上的說法:數字孿生技術是指將物理世界的物體,通過數字化的手段來構建一個一模一樣的數字世界的數字模型。而對于建筑工程,數字模型無法達到與物理世界完全相同。在工程應用中,也沒有必要做到毫厘不差,否則會無法實現,同時也會成本太高。通常情況,只要誤差在合理范圍就可以接受。因此,數字模型的精度也是這項技術的關鍵。工程建設不同階段的精度控制示意如圖5所示。

圖 5 工程建設

不同階段的精度控制采用數字擬合方法可以提高模型精度,減少誤差。例如一次線性函數來回歸擬合的計算公式為:其中:

圖 6 擬合結果

3 控制目標按照不同的應用場景中體現出來的效果,數字孿生會有一定的差異,對于不同層次的要求,數字孿生把相應的精度標準作為各自的控制目標。數字孿生化水平可以分為如下五個等級:1)數字孿生體工程以建立幾何模型為基礎,它是任何物理世界設備或產品的第一個特征。2)數據描述是以傳統的仿真分析為手段,使數字空間與物理世界的設備或產品對應的數字孿生化后的模型更有價值,通常需要對它的材料和物理特征進行描述,以便數字線程傳遞相關數據時,可以有更豐富的信息。3)數據融合是指一些靜態的多尺度場景的數據融合,本例中表現為工藝裝備與建筑結構的數字模型的融合。4)動態孿生是指分析對象的動態特征分析,可以用于建造和運行過程中的動態場景。5)自動孿生是指各種環境變化需要,可自行進行第1級到第4級的過程。在改造過程中首先根據建筑工程質量控制標準(表1)作為控制精度的要求對既有建筑的幾何特征進行測量。正向建?？梢灾苯永檬┕D設計資料來實現。逆向建模可采用三維激光掃描儀進行現場測繪。

表 1 建筑工程質量控制標準

作為建筑結構物理特征之一的結構動力響應狀態應符合相關容許振動標準的要求。針對建筑結構不同性能條件,如安全性、適用性、耐久性、舒適性等可以找到相應的容許振動限制要求,見表2所示。

表 2 結構容許振動標準

4 方案比較

針對具體工程項目的建模分析,工程實物的物理世界如圖7所示。運用BIM三維建?？梢缘玫杰囬g建筑整體模型,如圖8所示。根據模型可以漫游內部各個區域，圖9為該建筑內部局部的效果。可以看到工藝輸送設備經過辦公展示區的效果,將生產、展示與辦公環境巧妙地融為一體。

圖 7 車間照片

圖 8 三維建模

圖 9 模型內部

總裝工藝設備包括懸掛輸送機等。不同區域對輸送機的性能有不同的要求。綜合技術性能指標的要求,選定兩種輸送機:1)在生產車間部分采用無撬鏈式輸送機,其特點為:車身通過橫桿作為載體輸送,取代傳統意義上的撬體。鏈式輸送機速度為24~36m/min;設備承載為1t。能適應多變的工藝要求,工件節距可任意調節,節省存放空間。2)在辦公區展示區采用靜音皮帶輸送機,其特點為:采用皮帶輸送機替代鏈條輸送,運行噪聲可控制在60dB以內。皮帶輸送機速度為12m/min;設備承載為1t。采用Movigear無風扇電機,減小減速傳動比,降低電機本體噪聲。5 可視化結果可視化是三維數字孿生技術中非常重要的內容。隨著發展領域的增加,他的表現內容也在不斷變化,不斷增加。三維數字孿生結構動力學分析三維可視化展示在工程中也發揮很大的作用。可視化技術不但可以展示三維幾何模型和外觀效果,更重要的是可以顯現人們在現實世界無法看到的物理現象和內在特征,例如結構的振動模態,溫度場變化,氣流場分布等。并且還可以通過用戶交互調整參數,修改其物理特征,也就是優化物理模型,優化操作行為和優化運行效果等。

圖 10 輸送設備

懸掛結構模態以總裝車間輸送機懸掛結構部分結構的動態分析和優化為例(圖10),運行振型疊加法分析可以得到結構的某階振型狀態,彩色云圖和相對變形就可以清晰的顯現分析結果,乃至可以在顯示器上顯現動畫效果。通過歸一化處理,可以得到結構最優的結果(圖11)。

圖 11 結構動態優化

6 結論

圖 12?數字孿生技術示意

近年來,數字孿生發展較為迅速,正在逐漸走向成熟,有可能成為主流技術。特別是在物流和供應鏈領域應用較廣。在建筑工程方面,受到控制精度差、空間尺度大、產品批量少和建設周期長等因素的制約,該項技術的應用尚需探索。然而,數字孿生所強調的是建立現實世界與虛擬世界的相互映射、實時交互,該項技術將會不斷嵌入人們的工業生產和社會生活中,利用虛擬世界的分析優化,幫助我們實現對現實世界的精準管控,降低成本,提升效率的目的。本文以汽車制造廠為例,在數字孿生技術應用方面進行了一些有益的探索,由此建立的數字孿生技術的示意框圖(圖12),可供相關技術人員參考。