智能制造時代的仿真技術(shù)應(yīng)用實踐

1、1智能制造時代的仿真技術(shù)應(yīng)用實踐目錄1仿真技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用實踐未來的仿真技術(shù)應(yīng)用22Part 1仿真技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用實踐3何謂“智能制造”?4視角傳統(tǒng)制造智能制造技術(shù)是對物質(zhì)的處理，將原料轉(zhuǎn) 化為產(chǎn)品，是基于經(jīng)驗的制 造同時對物質(zhì)、信息和知識的處理，是基于科學(xué)（模型化）的制造企業(yè)運營成本中心，通過大批量生產(chǎn)， 降低成本，形成競爭力利潤中心，通過客戶化定制和制造服 務(wù)化獲取利潤用戶提供對具體產(chǎn)品和有限的擔(dān)保提供產(chǎn)品全生命周期的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，客戶從購買產(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)橘徺I服務(wù)張曙教授 同濟大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)研究所名譽所長智能制造的支撐技術(shù)CPS (Cyber Physical System) 翻

2、 譯 ： 信息物理系統(tǒng) 虛擬物理系統(tǒng) 賽博物理系統(tǒng)信息物理融合系統(tǒng)計算（Computing）控制（Control）通信（Communication）人機交互反饋（Feedback）虛擬世界（Cyber）控制器 執(zhí)行器傳感器 探測器物理世界（Physical）傳感5（Sensing）DIGITAL TWINDigital Twin將所獲取的信息與對象的物理性能表征相結(jié)合，形成虛擬空 間與實體空間深度融合、實時交互、互相耦合、及時更新，在網(wǎng)絡(luò)空間中 構(gòu)建實體的虛擬鏡像。6智能制造的未來方向01產(chǎn)品 智能化05制造 服務(wù)化02裝備 智能化0403工廠車間智能化智能化7“仿真”技術(shù)在智能制造中的作用？

3、傳統(tǒng)CAE仿真系統(tǒng)仿真與控制多物理場仿真物理仿真虛擬現(xiàn)實數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化8仿真技術(shù)與產(chǎn)品智能化自主決策關(guān)鍵技術(shù)：多功能感知智能Agent語音識別信息融合關(guān)鍵技術(shù)：工況識別感知控制算法及策略自適應(yīng)工況人機交互關(guān)鍵技術(shù)：環(huán)境感知路徑規(guī)劃智能識別自主決策無人機智能家電回收 信息原材料 信息設(shè)計 信息制造 信息物流 信息銷售 信息產(chǎn)品全生命周期個性化定制與服務(wù)無人駕駛汽車99案例：新能源汽車能量控制策略的研究通過建立控制仿真模型，利用DOE方 法判斷對輸入?yún)?shù)的敏感度，最終優(yōu) 化較敏感的輸入?yún)?shù)使輸出結(jié)果逼近 對標(biāo)車型的試驗數(shù)據(jù)。10本案例來自中 國汽車工程研 究院案例：獵鷹9回收中的蒙特卡羅仿真201

4、5年12月21日晚8:33分(美國EST)，獵鷹9火箭發(fā)射后成功回收第一級火箭。原定發(fā)射時間是12月20日，通過蒙特卡羅仿真， 推遲24小時可以使成功著陸的幾率提高10%！11仿真技術(shù)與裝備智能化智能裝備特點： 將專家的知識和經(jīng)驗融入感 知、決策、執(zhí)行等制造活動 中 賦予產(chǎn)品制造在線學(xué)習(xí)和知 識進(jìn)化能力12案例：智能機床的熱設(shè)計13仿真技術(shù)與車間智能化提升效率、質(zhì)量，降低成本14案例：鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)線實時質(zhì)量控制振紋15某鋼鐵企業(yè)利用在軋制設(shè)備末端設(shè)置的 傳感器來預(yù)測軋鋼卷內(nèi)的振紋的出現(xiàn)及 精確位置，顯著降低廢品率和客戶索賠 成本。案例：鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)線實時質(zhì)量控制1#加速度傳感器（JF_102）

5、12#加速度傳感器（JF_102）13#加速度傳感器（JF_102）14#加速度傳感器（JF_102）15#加速度傳感器（JF_102）1轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器同軸電纜150M同軸電纜150M同軸電纜150M同軸電纜150M同軸電纜150M電荷放大器AC220VNI cDAQ-9184NI9234NI9234NI9203NI9411備用BNCBNC螺栓軋機 控制 系統(tǒng)電機轉(zhuǎn)速信號4#5#開關(guān)信號軋制距離信號 剪切信號DSUB開關(guān)轉(zhuǎn)電平信號DSUB網(wǎng)線AMP（含水晶頭）控制器采集 監(jiān)控 服務(wù) 器0-5V0-5V0-5V0-5V0-5V網(wǎng)線 服務(wù)器 電源 BNC兩根含水晶接頭 DELL一臺

6、轉(zhuǎn)24V/5V電源一個 6個5#TTL電平 0/5V內(nèi)置網(wǎng)卡以 太網(wǎng)硬件配置傳感器 雙芯電纜電荷放大器NI儀器 內(nèi)置網(wǎng)卡6套-JF-102兩根（每根有三個細(xì)線） 一臺YE5853一套(四個模塊)一個主 操 室 監(jiān) 控 計算機PCI內(nèi)置網(wǎng)卡電流 4-20 mA16電流 4-20 mA案例：鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)線實時質(zhì)量控制17案例：鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)線實時質(zhì)量控制整體方案的設(shè)計利用仿真模型，確定需要的傳感器數(shù) 量和布置位置。及時發(fā)現(xiàn)質(zhì)量缺陷，排除故障隱患。同時精確定位缺陷發(fā)生位置、批次，減少浪費。18本案例來自上海交通大學(xué)振動與噪聲國家重點實驗室案例：高端數(shù)控機床的增效n=15400 rpm, a=4.0 m

7、mn=17000rpm, a=4.5mm零件表面質(zhì)量差零件表面質(zhì)量好顫振，切削力劇增平穩(wěn)，切削力小本案例來自北京航空航天大學(xué)劉強教授利用傳感器監(jiān)控切削過程的振 動信號，幫助調(diào)整切削參數(shù)， 提升切削質(zhì)量和效率。1920案例：擠壓成型工藝仿真與工藝參數(shù)優(yōu)化MaximumMinimumHighvelocityLowvelocity8 mm(-4 mm)12 mm(0 mm)14 mm(+2 mm)16 mm(0 mm)12mm (0mm)10 mm (- 2mm)12 mm(0 mm)16mm(0 mm)12 mm(0 mm)14 mm(+2 mm)通過對擠出速度、模具形狀、 預(yù)熱溫度的控制，實現(xiàn)擠

8、出 質(zhì)量的提升。案例：擠壓成型工藝仿真與工藝參數(shù)優(yōu)化21案例：擠壓成型工藝仿真與工藝參數(shù)優(yōu)化增大孔徑5mmCDAB減小孔徑10mm通過對模具的形狀優(yōu)化， 實現(xiàn)擠出速度的均勻。22仿真技術(shù)與工廠智能化虛擬現(xiàn)實幫助實現(xiàn)供應(yīng)鏈優(yōu)化布局23公差設(shè)計優(yōu)化供應(yīng)鏈成本控制利用尺寸公差鏈，分析每個零件公差對整體裝配可靠性的 影響，優(yōu)化其中的關(guān)鍵尺寸，提高合格率并降低成本。24公差設(shè)計優(yōu)化供應(yīng)鏈成本控制支架接線板基座銜鐵跳扣僅僅依賴公差鏈優(yōu)化，提升合格率10%！(本案例來自上海良信電器)25仿真技術(shù)與制造業(yè)服務(wù)化RR全球發(fā)動機健康監(jiān)測中心26在線故障預(yù)警與服務(wù)的發(fā)展歷史Lesson from Three Mil

9、eIslandMarch 28, 1979 at 4.00 AM在三里島核電站事故中，一臺泵最先發(fā)生故障， 但是控制面板上的一個警告信號被一個標(biāo)有 “MAINTENANCE”的標(biāo)簽遮住了，沒有人重視 這個信號。27一系列機械和人為的失誤導(dǎo)致了反應(yīng)堆堆芯的融化。Willian Tucker “Want Energy”一書中127頁。數(shù)據(jù)是制造服務(wù)化的基礎(chǔ)，但分析模型才是關(guān)鍵印度Narora電廠汽 輪機事故March 31, 1993,3.30 AM本來有足夠的時間 來避免災(zāi)難性后果2829制造服務(wù)化的基石：基于模型的知識庫Chart 1A% Cases Showing Vibration Fre

10、quency Symptoms for the Listed CausesVibration Analysis Causes of Vibration Reso nant freq40-50%50-100%1x rpm2x rpmhigher xrpm1/2 rpm1/4 rpmlower xrp modd freqvery high freqInitia l unbalance59055Permanent bow or lost rotor parts309055Temporary rotor bow209055Casing distortion101010602010Foundation

11、distortion20403010Seal ruotor axial rub202020301010101010Misalignment51030601010Pip ing forces51030601010Journal and bearing eccentricity604060Bearing damage202020402020Bearing excited vibration- oil whirl etc.20601010Unequal x and ybearing stiffness808020Thrust bearing damage909

12、0909090Insufficient tightness in ass embly of:Rotor (shrink-fits) Bearing liner40904090101010101010Bearing caseCasing and support9090909030301050Gear inaccuracy or damage20Mesh freq2060Coupling inaccuracy or damage102010203010Mesh freq8080Aerodynamic Exc itation6020201010Critica l speed100100Structu

13、ral resonance10010701010PreAsusguusrte10p,u20ls16ations80mAoNsSYtStUroGMub20le1s6ome if combined with resonancesPart 2未來的仿真技術(shù)應(yīng)用30仿真技術(shù)應(yīng)用的未來趨勢前端化系統(tǒng)仿真廣泛用于需求定義虛擬現(xiàn)實被用于用戶溝通優(yōu)化設(shè)計的深化應(yīng)用31軟件易用性進(jìn)一步提升嵌入CAD環(huán)境向供應(yīng)鏈下游延伸平民化協(xié)同化新材料、新工藝多物理場與多學(xué)科預(yù)測性工程未來趨勢標(biāo)準(zhǔn)化常用仿真流程的標(biāo)準(zhǔn)化與自動化更細(xì)致的仿真與試驗數(shù)據(jù)驗證與管理仿真技術(shù)應(yīng)用的“前端化”系統(tǒng)仿真促進(jìn)快速迭代32“前端化”的價值33仿

14、真流程的標(biāo)準(zhǔn)化與自動化傳統(tǒng)知識工作的自動化、標(biāo)準(zhǔn)化，提升仿真效率。圖片來源：Ansys AIM平臺34仿真應(yīng)用的“協(xié)同化”仿真小組項 目A項項項目B目C目C附件開發(fā)部產(chǎn)品線技術(shù)預(yù)結(jié)構(gòu)開電磁開研部 發(fā)部發(fā)部仿真技術(shù)過去優(yōu)點：仿真人員聯(lián)合 作戰(zhàn)，能力提高快 缺點：容易變成瓶頸未來優(yōu)點：仿真人員直接進(jìn)入項目，效率高 缺點：人員各自為戰(zhàn)，不利于經(jīng)驗交流 和方法標(biāo)準(zhǔn)化，需要專家團隊設(shè)定規(guī)范！項 目A項項項目B目C目C結(jié)構(gòu)電磁開發(fā)開發(fā)部部附件 開發(fā) 部產(chǎn)品線專家團標(biāo) 準(zhǔn) 方 法 與 流 程35協(xié)同仿真的基礎(chǔ)開放的軟件平臺123開放平臺Ansys AIM商用軟件Ansys Nastran Abaqus LS

15、-Dyna36舊的商業(yè)模式 穩(wěn)定可靠但封閉 不利于協(xié)同獨立應(yīng)用機床參數(shù)優(yōu)化軟件滿足細(xì)分市場應(yīng)用開發(fā)工作量大 可維護性差開發(fā)工作量較小可滿足細(xì)分市場需求 支持協(xié)同仿真“平民化”市場趨勢37需求側(cè)智能制造的趨勢是分工細(xì)化，大型制造企業(yè)的仿真部門越來越聚焦 于系統(tǒng)仿真和仿真方法的論證，而更多地將零部件的設(shè)計與驗證工 作轉(zhuǎn)移給供應(yīng)商；基本的機構(gòu)運動分析、線性靜力分析、熱分析和流體分析在零部件設(shè)計中仍然是主要的仿真分析類型；傳統(tǒng)材料和加工工藝與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)緊密結(jié)合，尚無可能完全被取代。供給側(cè)軟件產(chǎn)品的易用性持續(xù)提升；傳統(tǒng)CAD/CAE產(chǎn)品的相互融合；多樣化的培訓(xùn)形式和學(xué)習(xí)方式將仿真技術(shù)的門檻顯著降低。發(fā)揮仿真的價值企業(yè)需要的行動能力延伸Action38流程標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)管理與知識積累嘗試外包和云計算服務(wù)團隊的優(yōu)化組織提升效率需求定義：系統(tǒng)仿真設(shè)計：優(yōu)化設(shè)計驗證：DOE與可靠性開發(fā)：工藝過程仿真、公差設(shè)定、 供應(yīng)商資格審核維護：失效模擬、故障原因分析行動的優(yōu)先級流程標(biāo)準(zhǔn)化重要不重要緊急不緊急團隊的優(yōu)化組織與能力建設(shè)數(shù)據(jù)管理與知識積累.故障原因分析供應(yīng)商質(zhì)量問 題處理39