三一重機(jī)流程信息化部主管 周偉

一、基于數(shù)字樣機(jī)技術(shù)的產(chǎn)品研發(fā)流程與能力建設(shè)

    數(shù)字樣機(jī)技術(shù)經(jīng)歷了長(zhǎng)期的發(fā)展，早在20世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD和計(jì)算機(jī)輔助工程CAE技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入工程設(shè)計(jì)，全功能數(shù)字樣機(jī)技術(shù)（Digital Mockup-DMU）逐漸發(fā)展起來(lái)；20世紀(jì)90年代，數(shù)字樣機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，波音公司777飛機(jī)研制中應(yīng)用了100%的三維數(shù)字化定義和100%的數(shù)字化預(yù)裝配，成本降低25%，出錯(cuò)返工率減少75%，制造周期縮短了50%；到了21世紀(jì)，各種設(shè)計(jì)軟件日趨成熟，數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)得到迅猛發(fā)展。多領(lǐng)域多維度數(shù)字樣機(jī)廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空等各個(gè)領(lǐng)域，在工程機(jī)械行業(yè)內(nèi)的標(biāo)桿企業(yè)卡特、小松等均采用數(shù)字樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行新產(chǎn)品研發(fā)。

    全功能數(shù)字樣機(jī)技術(shù)解決了現(xiàn)代企業(yè)面臨市場(chǎng)激烈競(jìng)爭(zhēng)所需的T（最快的產(chǎn)品上市時(shí)間）、Q（最好的產(chǎn)品質(zhì)量）、C（最低的產(chǎn)品成本）、S（良好的產(chǎn)品服務(wù)）和E（盡少的環(huán)境污染）等難題。為了降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，保證產(chǎn)品質(zhì)量并促進(jìn)創(chuàng)新，能快速響應(yīng)市場(chǎng)變化，為客戶(hù)提供良好的服務(wù)，三一重機(jī)引進(jìn)了數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)。

    數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)不僅僅是一些軟件的應(yīng)用，還涉及到企業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略、組織架構(gòu)、流程工具和文化等。傳統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程是從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到加工制造、試驗(yàn)測(cè)試再倒結(jié)果分析，而引入了數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)的現(xiàn)代產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程中，將數(shù)字模型與測(cè)試提到產(chǎn)品加工制造之前�；�于數(shù)字樣機(jī)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)“V”型流程見(jiàn)下圖。在這個(gè)研發(fā)流程中數(shù)字樣機(jī)的應(yīng)用層級(jí)依次是三維設(shè)計(jì)、裝配干涉、運(yùn)動(dòng)干涉；有限元、動(dòng)力學(xué)、疲勞、振動(dòng)等；機(jī)電液聯(lián)合仿真、虛擬實(shí)驗(yàn)；基于模型的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)；整機(jī)在環(huán)。

基于數(shù)字樣機(jī)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)“V”型流程

    我們圍繞數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行的能力建設(shè)主要包括樣機(jī)集成及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、有限元與優(yōu)化、液壓與控制、信息集成與軟件開(kāi)發(fā)四個(gè)方面。

數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)能力建設(shè)

    同時(shí)我們構(gòu)建了一個(gè)數(shù)字化協(xié)同研發(fā)平臺(tái)，依次是資源層、支撐層、應(yīng)用層和展示層。

數(shù)字化協(xié)同研發(fā)平臺(tái)

    通過(guò)基于數(shù)字樣機(jī)技術(shù)的虛擬建模、工況仿真、部件優(yōu)化和虛擬制造等，我們希望形成產(chǎn)品研發(fā)全周期的數(shù)字化設(shè)計(jì)。

產(chǎn)品研發(fā)全周期數(shù)字化設(shè)計(jì)

二、數(shù)字樣機(jī)應(yīng)用技術(shù)成果

    ●SCC36000A履帶起重機(jī)數(shù)字樣機(jī)

    此項(xiàng)目攻克了超起配重小車(chē)多履帶同步運(yùn)動(dòng)技術(shù)，屬世界首創(chuàng)，獲得了集團(tuán)創(chuàng)新獎(jiǎng)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證明數(shù)字樣機(jī)結(jié)果的可靠性，同時(shí)數(shù)字樣機(jī)技術(shù)在國(guó)核驗(yàn)收中起到了關(guān)鍵作用。

SCC36000A履帶起重機(jī)數(shù)字樣機(jī)

    ●履帶起重機(jī)虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)

    該系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)領(lǐng)先履帶起重機(jī)虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，大大提高了駕駛員培訓(xùn)效率，減少了用戶(hù)成本，降低了事故風(fēng)險(xiǎn)。履帶起重機(jī)虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)參與了工信部?jī)苫�融合成果展，是集團(tuán)2項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目之一。

履帶起重機(jī)虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)

    ●某型礦車(chē)數(shù)字樣機(jī)

    在該型礦車(chē)設(shè)計(jì)中，31項(xiàng)數(shù)字樣機(jī)成果全部被采用。通過(guò)虛擬路譜成功模擬實(shí)際工況，用于整車(chē)系統(tǒng)及零部件疲勞分析。提高了整車(chē)可靠性、操縱穩(wěn)定性與舒適性。

某型礦車(chē)數(shù)字樣機(jī)

    ●基于模型的某型電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

    基于數(shù)字樣機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)的某型電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包含35個(gè)功能控制模塊、100個(gè)故障保護(hù)模塊、200多個(gè)控制參數(shù)和一百多項(xiàng)核心技術(shù)。

基于模型的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

    ●硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)

    通過(guò)基于數(shù)字樣機(jī)的硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)，可以模擬實(shí)際傳感器與執(zhí)行器特性、危險(xiǎn)工況及各類(lèi)電氣故障，實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證控制器硬件。

硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)

三、數(shù)字樣機(jī)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的五步法

    1、分析問(wèn)題，正確簡(jiǎn)化問(wèn)題和約束；

    2、建立數(shù)字樣機(jī)，復(fù)現(xiàn)問(wèn)題；

    3、頭腦風(fēng)暴，搜集各種可能實(shí)際解決方案；

    4、運(yùn)用數(shù)字化樣機(jī)評(píng)估各種解決方案，找出最佳方案；

    5、將最佳方案用于實(shí)際產(chǎn)品，改進(jìn)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

    以某型大挖動(dòng)臂疲勞開(kāi)裂分析為例，首先分析故障與方案，建立模型。然后采用相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，模擬挖掘機(jī)工作裝置實(shí)際動(dòng)態(tài)工況，進(jìn)行疲勞計(jì)算，提取動(dòng)態(tài)工況下的載荷譜。根據(jù)大量挖掘機(jī)現(xiàn)場(chǎng)工況及文獻(xiàn)資料，得到了用于疲勞優(yōu)化計(jì)算的4種典型工況：

    工況1：最大挖掘半徑，起始姿態(tài)為為最大挖掘半徑姿態(tài)，經(jīng)過(guò)起始、挖掘、回轉(zhuǎn)提升、卸載、回轉(zhuǎn)下放階段。工況2：最大作用力臂，始姿態(tài)為動(dòng)臂及斗桿油缸最大作用力臂、鏟斗油缸最大挖掘力姿態(tài)，經(jīng)過(guò)起始、挖掘、回轉(zhuǎn)提升、卸載、回轉(zhuǎn)下放階段。工況3：油缸全縮，起始姿態(tài)為工作裝置油缸全縮姿態(tài)，經(jīng)過(guò)起始、挖掘、回轉(zhuǎn)提升、卸載、回轉(zhuǎn)下放階段。工況4：刨坡，經(jīng)過(guò)起始、刨坡、回縮、挖掘、回轉(zhuǎn)提升、卸載、回轉(zhuǎn)下放階段。

用于疲勞優(yōu)化計(jì)算的4種典型工況

    在邊界條件、載荷譜、S-N曲線(xiàn)相同的條件下，采用類(lèi)比定性分析方法，對(duì)動(dòng)臂、斗桿疲勞壽命進(jìn)行分析和優(yōu)化，并提出設(shè)計(jì)建議。最終改進(jìn)方案：將焊縫平移327mm，然后在平移后焊縫之間添加一塊16mm厚的筋板。動(dòng)臂前支承疲勞壽命提高了96.76%，分析結(jié)果與大挖已實(shí)施方案基本一致。

優(yōu)化結(jié)果

    通過(guò)應(yīng)用“數(shù)字樣機(jī)運(yùn)用五步法”，建立了挖掘機(jī)分析能力：能夠提供接近實(shí)際工況的疲勞載荷譜，進(jìn)行焊縫疲勞優(yōu)化分析；能夠計(jì)算任意姿態(tài)鏟斗和斗桿最大挖掘力，并據(jù)此進(jìn)行強(qiáng)度、剛度校核；以提升挖掘效率為目標(biāo)，建立的挖掘力計(jì)算模型，進(jìn)行工作裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，全面提高鏟斗、斗桿最大挖掘力及主挖掘區(qū)域平均挖掘力。分析結(jié)果和大挖的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和改進(jìn)方案基本一致。這種分析流程同樣可以用于其他型號(hào)挖機(jī)的設(shè)計(jì)。

四、三一數(shù)字樣機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

    經(jīng)過(guò)努力，數(shù)字樣機(jī)技術(shù)在三一集團(tuán)取得了明顯進(jìn)步，但應(yīng)用的深度和發(fā)揮的作用仍然存在不足，主要包括：

    ●基礎(chǔ)研究不足，分析規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)缺乏，試驗(yàn)驗(yàn)證手段不足。

    ●應(yīng)用深度和應(yīng)用層級(jí)不夠，基本停留在驗(yàn)證階段，且側(cè)重結(jié)構(gòu)分析，系統(tǒng)的聯(lián)合仿真使用不多。

    ●專(zhuān)家人才缺乏，特別是對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)有深刻理解，同時(shí)又掌握數(shù)字樣機(jī)研發(fā)手段的高層次數(shù)字樣機(jī)應(yīng)用人才。

    ●創(chuàng)新力度不夠，數(shù)字樣機(jī)技術(shù)沒(méi)有滲透到產(chǎn)品研發(fā)的每一階段與項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程完全融合。

    根據(jù)三一重機(jī)流程信息化部主管周偉在2013第九屆中國(guó)制造業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化國(guó)際峰會(huì)的發(fā)言整理而成，已經(jīng)本人確認(rèn)！

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