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数字孪生的实现使用了哪些技术?

发布时间:2022-1-18 18:08:15

由于数字化设计、虚拟仿真和工业互联网(工业物联网)等关键使能技术的发展繁荣,数字孪生迅速成为一种潮流。


数字化设计技术由早期的二维设计发展到三维建模,由三维线构型演变为三维实体造型、特征造型,产生了直接建模、同步建模、混合建模等技术,以及面向建筑和建筑行业的建筑信息模型技术(building information modeling,BIM)。比如:数字孪生城市,实现城市3D可视化展示

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三维建模技术不仅应用于产品的设计阶段,而且能够实现三维工艺设计。在大多数三维模型中,产品不仅包含几何信息、装配关系,还包含产品制造信息。主要包括:尺寸、公差、形位公差、粗糙度和材料规格等信息。并使用这些信息来实现MBD(基于模型的产品定义)。

为实现产品三维模型的快速浏览,可从包含三维工艺特征的完整三维特征模型中提取出包括几何信息的轻量化三维模型。虚拟现实(VR)以三维造型和三维显示技术为基础,被广泛应用于汽车、飞机、工厂等复杂物体的虚拟体验,其中包括浸入式虚拟现实系统Cave、产品展示和市场推广的三维绘制技术,以及基于视景仿真的模拟驾驶技术等。


近来增强现实技术已经得到了快速地发展,它的特点是能够把实物模型与数字模型融合在一个可视化环境中,从而实现了传感器数据的可视化,也能对产品操作、装拆和维修过程进行三维可视化,实现了产品操作培训、维护等应用。

如今在多个领域中,虚拟仿真技术已由有限元分析发展到对流场、热场、电磁场等多种物理场模拟。实现对振动、碰撞、噪声、爆炸等各种物理现象进行模拟。对产品进行运动模拟,并进行材料力学、弹性力学和动力学模拟;对产品进行长期使用的疲劳模拟;系统地对整个产品进行模拟,针对各种加工工艺的模拟,以及装配模拟。帮助产品实现多学科仿真,以达到整体性能最优的效果。在区分仿真对象的基础上,虚拟仿真技术可分为产品性能模拟、制造过程模拟和数字化工厂模拟。 数字孪生可视化的应用及案例

数字化设计技术与虚拟仿真技术的开发与综合应用产生了:数字原型(digital mockup,DMU),数字样机(digital prototyping),虚拟样机(virtual prototype),全功能虚拟样机(functional virtual prototype)。

主要用于实现复杂产品的运动模拟、装配模拟和性能模拟。利用数字样机进行虚拟实验,可以减少物理样机和物理样机的数量,从而降低产品开发和试制成本,进一步提高了研发的效率。


同时随着传感器技术和无线通信技术的发展。21世纪以来物联网的应用日益广泛。工业物联网(IIoT)除了应用于消费领域外,为支持高价值工业设备的运行监控与维护维护,已开始引起业界的广泛关注。IIoT所采集到的数据类型和频率均高于一般物联网,其所应用的数学模型及分析方法也远比一般物联网系统复杂。

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随着学术界的研究和工业巨头如GE、西门子的示范作用,数字孪生技术开始受到人们的广泛关注。

2016年6月,在西门子工业软件全球媒体和分析家会议上,西门子运用了诸如数字孪生(digital twin)、数字主线(digital thread)等术语。

数字孪生技术的产生,设计除了与物理模型相对应的数字孪生模型。然后用数字孪生模型进行实验,最终再还原到物理模型,并通过分析数字孪生模型来优化物理模型的运行。除以上技术外,工业大数据、人工智能等技术也是数字孪生的关键使能技术。


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