汽车工厂改造中数字模型分析的应用

数字孪生的概念我们可以知道,这是一项充分利用物理模型、传感器更新、运行历史数据等,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程的技术。

数字孪生技术的组成和相对关系如图1所示。这项技术应用面非常广泛,可以在产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等领域应用。特别是在工程建设领域也有非常多的应用实例。在汽车制造业来看,如果把汽车工厂作为产品,也就是数字孪生技术应用对象来看待,我们就可以将工厂中的土建、公用、工艺等设施按照产品的全生命周期进行管理。根据多物理因素和多维度数字模型,运用数值分析技术可以开展建筑物理性能分析和结构健康管理。对于汽车工厂的技术改造,可利用数字孪生技术的数字空间和物理空间信息的双向共享交互和全面追溯,进行方案比对,参数优化和可实施性验证等。

图1 数字孪生技术

为了准确表示汽车工厂的几何特征,需要创建高精度建筑工程和工艺装备的数字模型;为了显现汽车工厂的物理特性,需要创建可视化车间建筑物理性能数字模型;对于技术改造工程为了取得最佳的技术方案,在已有数字模型基础上,可以运用计算机技术进行方案优化和参数优化。

汽车工厂的主要建筑功能如图2所示。

图2 汽车工厂建筑功能示意

1 工程概况

某汽车厂总装及车身车间于2009年设计,2011年左右建成试运营。主体结构设计使用年限50年,建筑结构安全等级为二级。抗震设防分类为丙类,设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.10g,设计地震分组为第一组。框架抗震等级为三级。采用钢筋混凝土独立基础。屋面网架按照结构缝分为四个区域。总建筑面积79237.29m2,车间建筑面积68413.9m2,车间建筑高度14.19m。主厂房结构形式为混凝土柱钢网架结构,杆件强度等级Q235,螺栓球为45号钢,混凝土柱强度等级C30。车间内部建筑结构形式如图3所示。

图3 总装车间内部结构

根据汽车产品更新换代的需要,车间里的装配生产线以及工艺布置也要改变。新设计的装配工艺设备在车间网架结构上的吊点位置和工艺荷载不同,这就要求工艺设计人员掌握原结构的几何特征和物理特征等的相关参数。几何特征是指建筑的空间尺寸、柱网尺寸、构件形状、节点位置等。物理特征是指结构的承载能力、结构的动力特性、刚度和变形等。本文针对此改造工程的技术要求,深入探索一下数字孪生的应用效果。2 数字建模在工业建筑中通常包括两部分内容:1)工艺装备。2)土建公用。通过数字建模可以有效的将土建条件和工艺要求结合起来。对于汽车工厂的数字建模,可采用两种方法:1)正向建模:根据设计的施工图或三维设计文件生成数字模型。2)逆向建模:根据厂房实际状况,现场扫描,经过翻模处理构成数字模型。其建模过程如图4所示。

图 4 建模流程示意

就理论上的说法:数字孪生技术是指将物理世界的物体,通过数字化的手段来构建一个一模一样的数字世界的数字模型。而对于建筑工程,数字模型无法达到与物理世界完全相同。在工程应用中,也没有必要做到毫厘不差,否则会无法实现,同时也会成本太高。通常情况,只要误差在合理范围就可以接受。因此,数字模型的精度也是这项技术的关键。工程建设不同阶段的精度控制示意如图5所示。

图 5 工程建设

不同阶段的精度控制采用数字拟合方法可以提高模型精度,减少误差。例如一次线性函数来回归拟合的计算公式为:其中:

图 6 拟合结果

3 控制目标按照不同的应用场景中体现出来的效果,数字孪生会有一定的差异,对于不同层次的要求,数字孪生把相应的精度标准作为各自的控制目标。数字孪生化水平可以分为如下五个等级:1)数字孪生体工程以建立几何模型为基础,它是任何物理世界设备或产品的第一个特征。2)数据描述是以传统的仿真分析为手段,使数字空间与物理世界的设备或产品对应的数字孪生化后的模型更有价值,通常需要对它的材料和物理特征进行描述,以便数字线程传递相关数据时,可以有更丰富的信息。3)数据融合是指一些静态的多尺度场景的数据融合,本例中表现为工艺装备与建筑结构的数字模型的融合。4)动态孪生是指分析对象的动态特征分析,可以用于建造和运行过程中的动态场景。5)自动孪生是指各种环境变化需要,可自行进行第1级到第4级的过程。在改造过程中首先根据建筑工程质量控制标准(表1)作为控制精度的要求对既有建筑的几何特征进行测量。正向建模可以直接利用施工图设计资料来实现。逆向建模可采用三维激光扫描仪进行现场测绘。

表 1 建筑工程质量控制标准

作为建筑结构物理特征之一的结构动力响应状态应符合相关容许振动标准的要求。针对建筑结构不同性能条件,如安全性、适用性、耐久性、舒适性等可以找到相应的容许振动限制要求,见表2所示。

表 2 结构容许振动标准

4 方案比较

针对具体工程项目的建模分析,工程实物的物理世界如图7所示。运用BIM三维建模可以得到车间建筑整体模型,如图8所示。根据模型可以漫游内部各个区域，图9为该建筑内部局部的效果。可以看到工艺输送设备经过办公展示区的效果,将生产、展示与办公环境巧妙地融为一体。

图 7 车间照片

图 8 三维建模

图 9 模型内部

总装工艺设备包括悬挂输送机等。不同区域对输送机的性能有不同的要求。综合技术性能指标的要求,选定两种输送机:1)在生产车间部分采用无撬链式输送机,其特点为:车身通过横杆作为载体输送,取代传统意义上的撬体。链式输送机速度为24~36m/min;设备承载为1t。能适应多变的工艺要求,工件节距可任意调节,节省存放空间。2)在办公区展示区采用静音皮带输送机,其特点为:采用皮带输送机替代链条输送,运行噪声可控制在60dB以内。皮带输送机速度为12m/min;设备承载为1t。采用Movigear无风扇电机,减小减速传动比,降低电机本体噪声。5 可视化结果可视化是三维数字孪生技术中非常重要的内容。随着发展领域的增加,他的表现内容也在不断变化,不断增加。三维数字孪生结构动力学分析三维可视化展示在工程中也发挥很大的作用。可视化技术不但可以展示三维几何模型和外观效果,更重要的是可以显现人们在现实世界无法看到的物理现象和内在特征,例如结构的振动模态,温度场变化,气流场分布等。并且还可以通过用户交互调整参数,修改其物理特征,也就是优化物理模型,优化操作行为和优化运行效果等。

图 10 输送设备

悬挂结构模态以总装车间输送机悬挂结构部分结构的动态分析和优化为例(图10),运行振型叠加法分析可以得到结构的某阶振型状态,彩色云图和相对变形就可以清晰的显现分析结果,乃至可以在显示器上显现动画效果。通过归一化处理,可以得到结构最优的结果(图11)。

图 11 结构动态优化

6 结论

图 12 数字孪生技术示意

近年来,数字孪生发展较为迅速,正在逐渐走向成熟,有可能成为主流技术。特别是在物流和供应链领域应用较广。在建筑工程方面,受到控制精度差、空间尺度大、产品批量少和建设周期长等因素的制约,该项技术的应用尚需探索。然而,数字孪生所强调的是建立现实世界与虚拟世界的相互映射、实时交互,该项技术将会不断嵌入人们的工业生产和社会生活中,利用虚拟世界的分析优化,帮助我们实现对现实世界的精准管控,降低成本,提升效率的目的。本文以汽车制造厂为例,在数字孪生技术应用方面进行了一些有益的探索,由此建立的数字孪生技术的示意框图(图12),可供相关技术人员参考。