三一重機流程信息化部主管 周偉
一、基于數(shù)字樣機技術的產(chǎn)品研發(fā)流程與能力建設
數(shù)字樣機技術經(jīng)歷了長期的發(fā)展,早在20世紀80年代,計算機輔助設計CAD和計算機輔助工程CAE技術開始進入工程設計,全功能數(shù)字樣機技術(Digital Mockup-DMU)逐漸發(fā)展起來;20世紀90年代,數(shù)字樣機系統(tǒng)應用于產(chǎn)品開發(fā),波音公司777飛機研制中應用了100%的三維數(shù)字化定義和100%的數(shù)字化預裝配,成本降低25%,出錯返工率減少75%,制造周期縮短了50%;到了21世紀,各種設計軟件日趨成熟,數(shù)字化樣機技術得到迅猛發(fā)展。多領域多維度數(shù)字樣機廣泛應用于汽車、航空等各個領域,在工程機械行業(yè)內(nèi)的標桿企業(yè)卡特、小松等均采用數(shù)字樣機技術進行新產(chǎn)品研發(fā)。
全功能數(shù)字樣機技術解決了現(xiàn)代企業(yè)面臨市場激烈競爭所需的T(最快的產(chǎn)品上市時間)、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)和E(盡少的環(huán)境污染)等難題。為了降低產(chǎn)品開發(fā)成本,縮短研發(fā)周期,保證產(chǎn)品質(zhì)量并促進創(chuàng)新,能快速響應市場變化,為客戶提供良好的服務,三一重機引進了數(shù)字化樣機技術。
數(shù)字化樣機技術不僅僅是一些軟件的應用,還涉及到企業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略、組織架構、流程工具和文化等。傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)流程是從產(chǎn)品設計到加工制造、試驗測試再倒結果分析,而引入了數(shù)字化樣機技術的現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)流程中,將數(shù)字模型與測試提到產(chǎn)品加工制造之前。基于數(shù)字樣機的產(chǎn)品開發(fā)“V”型流程見下圖。在這個研發(fā)流程中數(shù)字樣機的應用層級依次是三維設計、裝配干涉、運動干涉;有限元、動力學、疲勞、振動等;機電液聯(lián)合仿真、虛擬實驗;基于模型的控制系統(tǒng)開發(fā);整機在環(huán)。
基于數(shù)字樣機的產(chǎn)品開發(fā)“V”型流程
我們圍繞數(shù)字化樣機技術進行的能力建設主要包括樣機集成及產(chǎn)品設計、有限元與優(yōu)化、液壓與控制、信息集成與軟件開發(fā)四個方面。
數(shù)字化樣機技術能力建設
同時我們構建了一個數(shù)字化協(xié)同研發(fā)平臺,依次是資源層、支撐層、應用層和展示層。
數(shù)字化協(xié)同研發(fā)平臺
通過基于數(shù)字樣機技術的虛擬建模、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)字化設計。
產(chǎn)品研發(fā)全周期數(shù)字化設計
二、數(shù)字樣機應用技術成果
●SCC36000A履帶起重機數(shù)字樣機
此項目攻克了超起配重小車多履帶同步運動技術,屬世界首創(chuàng),獲得了集團創(chuàng)新獎,F(xiàn)場測試證明數(shù)字樣機結果的可靠性,同時數(shù)字樣機技術在國核驗收中起到了關鍵作用。
SCC36000A履帶起重機數(shù)字樣機
●履帶起重機虛擬培訓系統(tǒng)
該系統(tǒng)是國內(nèi)領先履帶起重機虛擬培訓系統(tǒng),大大提高了駕駛員培訓效率,減少了用戶成本,降低了事故風險。履帶起重機虛擬培訓系統(tǒng)參與了工信部兩化融合成果展,是集團2項重點項目之一。
履帶起重機虛擬培訓系統(tǒng)
●某型礦車數(shù)字樣機
在該型礦車設計中,31項數(shù)字樣機成果全部被采用。通過虛擬路譜成功模擬實際工況,用于整車系統(tǒng)及零部件疲勞分析。提高了整車可靠性、操縱穩(wěn)定性與舒適性。
某型礦車數(shù)字樣機
●基于模型的某型電驅動系統(tǒng)開發(fā)
基于數(shù)字樣機技術開發(fā)的某型電驅動系統(tǒng),包含35個功能控制模塊、100個故障保護模塊、200多個控制參數(shù)和一百多項核心技術。
基于模型的電驅動系統(tǒng)開發(fā)
●硬件在環(huán)實時仿真技術
通過基于數(shù)字樣機的硬件在環(huán)實時仿真技術,可以模擬實際傳感器與執(zhí)行器特性、危險工況及各類電氣故障,實時仿真驗證控制器硬件。
硬件在環(huán)實時仿真技術
三、數(shù)字樣機用于產(chǎn)品設計的五步法
1、分析問題,正確簡化問題和約束;
2、建立數(shù)字樣機,復現(xiàn)問題;
3、頭腦風暴,搜集各種可能實際解決方案;
4、運用數(shù)字化樣機評估各種解決方案,找出最佳方案;
5、將最佳方案用于實際產(chǎn)品,改進設計,實驗驗證。
以某型大挖動臂疲勞開裂分析為例,首先分析故障與方案,建立模型。然后采用相對運動的方法,模擬挖掘機工作裝置實際動態(tài)工況,進行疲勞計算,提取動態(tài)工況下的載荷譜。根據(jù)大量挖掘機現(xiàn)場工況及文獻資料,得到了用于疲勞優(yōu)化計算的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)過起始、挖掘、回轉提升、卸載、回轉下放階段。工況2:最大作用力臂,始姿態(tài)為動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)過起始、挖掘、回轉提升、卸載、回轉下放階段。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)過起始、挖掘、回轉提升、卸載、回轉下放階段。工況4:刨坡,經(jīng)過起始、刨坡、回縮、挖掘、回轉提升、卸載、回轉下放階段。
用于疲勞優(yōu)化計算的4種典型工況
在邊界條件、載荷譜、S-N曲線相同的條件下,采用類比定性分析方法,對動臂、斗桿疲勞壽命進行分析和優(yōu)化,并提出設計建議。最終改進方案: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。動臂前支承疲勞壽命提高了96.76%,分析結果與大挖已實施方案基本一致。
優(yōu)化結果
通過應用“數(shù)字樣機運用五步法”,建立了挖掘機分析能力:能夠提供接近實際工況的疲勞載荷譜,進行焊縫疲勞優(yōu)化分析;能夠計算任意姿態(tài)鏟斗和斗桿最大挖掘力,并據(jù)此進行強度、剛度校核;以提升挖掘效率為目標,建立的挖掘力計算模型,進行工作裝置結構優(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。分析結果和大挖的現(xiàn)場經(jīng)驗和改進方案基本一致。這種分析流程同樣可以用于其他型號挖機的設計。
四、三一數(shù)字樣機應用現(xiàn)狀
經(jīng)過努力,數(shù)字樣機技術在三一集團取得了明顯進步,但應用的深度和發(fā)揮的作用仍然存在不足,主要包括:
●基礎研究不足,分析規(guī)范和經(jīng)驗缺乏,試驗驗證手段不足。
●應用深度和應用層級不夠,基本停留在驗證階段,且側重結構分析,系統(tǒng)的聯(lián)合仿真使用不多。
●專家人才缺乏,特別是對產(chǎn)品設計有深刻理解,同時又掌握數(shù)字樣機研發(fā)手段的高層次數(shù)字樣機應用人才。
●創(chuàng)新力度不夠,數(shù)字樣機技術沒有滲透到產(chǎn)品研發(fā)的每一階段與項目開發(fā)過程完全融合。
根據(jù)三一重機流程信息化部主管周偉在2013第九屆中國制造業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化國際峰會的發(fā)言整理而成,已經(jīng)本人確認!
核心關注:拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務領域、行業(yè)應用,蘊涵了豐富的ERP管理思想,集成了ERP軟件業(yè)務管理理念,功能涉及供應鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務領域的管理,全面涵蓋了企業(yè)關注ERP管理系統(tǒng)的核心領域,是眾多中小企業(yè)信息化建設首選的ERP管理軟件信賴品牌。
轉載請注明出處:拓步ERP資訊網(wǎng)http://www.ezxoed.cn/
本文標題:基于數(shù)字樣機技術的產(chǎn)品研發(fā)和創(chuàng)新
本文網(wǎng)址:http://www.ezxoed.cn/html/solutions/14019311956.html