强度数字孪生技术的研究现状和发展趋势

欧壮壮，李建强,2，陈继文，潘 昊

(1.山东建筑大学机电工程学院,山东 济南 250101)(2.安丘市职业中等专业学校,山东 安丘 262100)

数字孪生一词的雏形最早由美国密西根大学Grieves教授于2002年在他的全生命周期课程上提出，称为“镜像空间模型”，当时并未定义为数字孪生[1]。2011年，Michael Grieves在其著作《几乎完美：通过PLM推动创新和精益产品》中将这一概念大力推广，此时这一概念被正式定义为数字孪生[2]。数字孪生通过软件定义和数据驱动，创建与物理实体对应的虚拟模型，利用传感器对物理实体和使用工况信息进行采集，将采集到的数据转换为电脑可接收和可分析的数字化信号，将物理实体的所有信息在虚拟空间中完成数字化表达，并利用虚拟模型和物理实体之间的动态交互和大数据分析，为物理实体增加或者扩展新的能力[3]。

数字孪生技术的两大基础是数字化和网络化，实现的核心是模型和数据，即高保真度虚拟模型的构建、融合与数据的采集和分析。基于数字孪生技术，构建产品的数字孪生模型，实现模型与物理实体之间的信息交互，可有效指导产品的设计、制造、使用和维护。许多学者在数字孪生技术保障产品的质量方面开展了研究。陆清等[4]通过数字孪生技术，在民用飞机的设计阶段对飞机孪生模型进行模拟仿真和优化验证，实现了对飞机性能的优化。张在房等[5]针对航天器舱门展收过程中的振动问题，提出一种基于数字孪生的设计优化方法，有效提高了舱门的动态性能。于勇等[6]提出了基于数字孪生模型的实时工艺决策，优化了工艺流程，有效保障了产品的加工质量。王岭[7]提出了基于数字孪生的航空发动机低压涡轮单元体的对接技术，对产品和安装环境进行建模，通过对实时数据的采集和分析使对接过程中涡轮单元体的位置可视化，解决了以往装配过程中存在的盲区问题，有效提高了装配精度。陶飞等[8]在数字孪生的十大应用领域中描述了基于数字孪生的车辆抗损伤性能评估系统，通过物理车辆和虚拟车辆之间的信息交互来实现车辆关键部位的强度、结构部件的完整性和车辆运行功能的实时映射与精准仿真，实现了可靠性评估和使用寿命的精准预测。在产品设计、制造和使用过程中，强度都是产品的一个重要性能指标。它受材料的属性、结构、制造工艺和使用工况等多种因素的影响[9]。产品失效往往是强度的失效，如产品变形、断裂、损伤等失效形式的本质都是强度失效。现阶段基于数字孪生技术保障产品强度的方法在产品设计、制造和使用维护中大部分都是各自独立的，没有形成协同关联，效果不理想。

本文将数字孪生技术应用于产品强度的可靠性保障中，介绍了强度数字孪生技术与增材制造和拓扑结构优化技术相结合的一些研究方法和内容，并对强度数字孪生技术的发展趋势进行了展望。强度数字孪生技术可贯穿于产品的全生命周期中，形成产品强度可靠性保障的闭环，大大延长产品的使用寿命。

1 强度数字孪生模型

强度数字孪生技术是数字孪生技术的衍生，是保障产品在全生命周期中强度可靠性的一种新思路。基于五维数字孪生模型[8]，建立图1所示的强度数字孪生模型，该模型包含物理实体、虚拟实体、孪生数据、连接和服务共5部分。其中，物理实体是强度数字孪生模型的基础，涵盖原材料、加工制造设备、产品、环境和工作人员等所有的实体；虚拟实体主要包括产品的强度数字孪生模型和加工设备的数字孪生模型；孪生数据是指将虚拟实体的数据和传感器对物理实体采集的各类与强度有关的数据进行分类封装，主要包括设计数据、制造数据、运行数据和维护数据；服务是指利用历史数据和动态交互的实时数据进行产品的强度虚拟验证优化、加工工艺的创新优化、产品的强度指标评估和使用寿命预测。连接部分主要作用是实现物理实体、虚拟实体、孪生数据、服务4部分的互联互通和动态交互。

图1 强度数字孪生模型

强度数字孪生技术贯穿产品全生命周期的设计、制造、服务阶段，强度数字孪生模型中的虚拟实体能获得产品面向全生命周期的各类数据，并且与物理实体之间是动态交互的，可以实现产品设计的仿真模拟、加工工艺的优化、健康状况评估和使用寿命预测，保障产品全生命周期中强度的高可靠性。基于产品的强度数字孪生模型和加工设备的数字孪生模型实时监测产品的强度指标，调控产品的制造和使用过程，形成产品强度可靠性保障的闭环，避免产品失效。

2 强度数字孪生技术与增材制造、拓扑结构优化技术的结合

强度数字孪生技术与增材制造、拓扑结构优化技术相结合贯穿于产品的全生命周期具有重要的生产革命意义。庄存波等[10]指出通过数字孪生技术可以促进建模、仿真与优化技术集成到产品全生命周期过程中。数字孪生是包含多个维度的数字化集成[11]，可以实现强度数字孪生技术与增材制造、拓扑结构优化技术的有效结合，保障产品在全生命周期中的强度可靠性。增材制造是新的智能制造实践，数字化是贯穿增材制造从产品的设计、仿真到制造全过程的关键载体，有利于实现增材制造设备与加工设备数字孪生模型之间的互联互通和数据的动态交互。增材制造技术可以使设计人员在设计时无需考虑传统制造方法的工艺限制，实现产品的整体设计和关键部位的强化设计，为产品强度的提高带来新的可能性。另外，增材制造采用分层打印的方式进行产品的加工，为产品材料的设计带来了一条新途径[12]。Kuernsteiner等[13]研制了一种可用于增材制造的铁镍钛合金钢材，在200 ℃左右，这一钢材可以原位形成马氏体并实现镍-钛纳米沉淀，有效提高了钢材的硬度。

采用拓扑结构优化技术对产品进行优化，在保障产品强度的同时可以实现轻量化和减材的目的[14]。增材制造技术可以打印拓扑结构优化后的复杂产品，实现设计制造一体化，减少实验次数和生产缺陷[15]。陈继文等[16]采用拓扑结构优化和增材制造相结合的方法进行了码垛机器人小臂结构轻量化设计，保障强度可靠性的同时实现轻量化和减材目的。

3 基于强度数字孪生的产品全生命周期

强度数字孪生技术贯穿产品的生命周期全过程，形成产品强度可靠性保障的闭环，可以有效避免产品强度的失效。基于强度数字孪生的产品全生命周期如图2所示，在产品的设计阶段，强度数字孪生技术可以通过综合历史数据和各阶段的动态交互数据，构建性能更优的产品强度数字孪生模型。根据产品的使用工况在虚拟状态下对产品的数字孪生模型进行强度仿真验证和优化，并使用拓扑结构优化方法对产品进行优化设计达到更好的效果，保障产品在设计阶段的强度；在产品的加工阶段，增材制造设备的数字孪生模型通过综合以往此类产品的加工制造数据，在加工之前实现对制造工艺流程的虚拟仿真、验证和优化，使工艺流程得到优化。在加工过程中，传感器会采集与产品强度有关的数据实时反馈给增材制造设备的数字孪生模型。模型进行数据分析后，对加工参数进行动态的调整，有效保障产品在加工阶段的强度；在产品的运行、维护、管理期间，产品的强度数字孪生模型会得到物理实体的实时数据，进行分析后将产品的实时健康状况发送给用户和厂家。根据模型对产品健康状况的评估，用户和厂家可以有针对性地对产品进行预防性维护，保障产品在使用阶段的强度。

图2 基于强度数字孪生的产品全生命周期

3.1 基于强度数字孪生的产品设计

在产品的设计阶段，构建产品的数字孪生模型并融入到产品的设计与生产过程中，在保障产品性能的同时可有效提高生产效率[17]。陶飞等[18]提出了一种基于数字孪生的产品设计模式，指出了数字孪生在产品设计阶段的具体应用，使得产品设计、制造和服务更加智能和高效。庄存波等指出了数字孪生技术在产品设计阶段的实施途径，其中物理实体的数字化表达和模型的精准仿真及优化是实现应用的基础。

基于强度数字孪生技术，产品设计者无需考虑传统制造方法的工艺限制，通过综合市场需求、产品功能和历史数据直接进行产品强度数字孪生模型的构建。产品的强度数字孪生模型包括产品的几何信息、物理信息、行为信息和规则信息。其中，几何信息是指产品的尺寸、结构和装配关系等影响产品强度的因素；物理信息是指产品的受力、变形以及产品组成材料的刚度、强度、硬度、疲劳强度等材料特性；行为信息是产品在不同使用工况下强度指标的变化信息；规则信息是指产品运行的规律信息。产品的强度指标根据材料的属性不同分为屈服强度、极限强度和弹性模量等指标，根据使用工况的不同分为静态强度、动态强度和疲劳强度，这些强度指标可以通过分析传感器采集到的数据得出。

产品的强度数字孪生模型与物理实体之间的对应关系可以是一对一，也可以是一对多。模型的构建可以是在上一代模型的基础进行改进，也可以根据需求重新进行构建。无论哪种构建方式，新模型与旧模型之间的数据可以实现互联互通。模型构建完成后，要通过虚拟仿真的方式对产品的强度进行验证，并对其可靠性进行评估。模型的仿真过程可以利用物理实体的历史数据进行仿真，也可以利用从物理实体获得的动态数据进行仿真。把传感器采集的实时数据传递给产品的强度数字孪生模型，使模型在实时动态数据的驱动下进行仿真，可极大地减少虚拟仿真与真实仿真之间的差距，提高仿真的可靠性。经过仿真实验后，根据评估反馈的结果对模型进行拓扑结构优化和验证直至达到理想的产品强度。

3.2 基于强度数字孪生的产品制造

产品的强度数字孪生模型在经过拓扑结构优化后，形状会变得复杂一些，采用传统的加工方式加工比较困难，而增材制造可以实现对这类复杂零件的加工制造和过程控制。增材制造工艺的两个重要指标是宏观控形和微观控性。宏观控形主要是指产品的变形、裂纹、支撑开裂等外在的影响产品强度的指标；微观控性主要是指产品打印过程中材料的相变、球化等决定金属力学性能的指标。DebRoy等[19]通过建立增材制造设备的数字孪生模型来模拟打印时产品的加热和冷却速率、凝固参数、相变、残余应力和变形等指标的变化情况，通过确定最优的工艺参数来实现对产品的形状和力学性能的有效控制。

增材制造产品的强度受打印材料、产品的结构、加工参数、产品后处理工艺和制造设备的影响。构建增材制造设备的数字孪生模型，可以实现对影响产品强度的因素的有效控制。基于强度数字孪生的增材制造如图3所示，将产品的强度数字孪生模型输入到增材制造设备的数字孪生模型中，在打印之前，进行制造工艺的模拟仿真和优化验证。根据工艺仿真结果，可以通过产品的强度数字孪生模型实现材料的重新选择和对产品结构的再次优化设计。然后反复对制造工艺进行优化和验证，直到实现工艺流程的优化。增材制造设备会根据模型模拟仿真确定的工艺流程，自动设置合适的加工参数，完成产品的打印过程。根据打印产品的实际情况，再对产品进行后处理，此时产品的数字孪生模型就有了相互映射的物理实体[20]。

图3 基于强度数字孪生的增材制造

在增材制造的过程中，增材制造设备的数字孪生模型和加工设备之间的数据是动态交互的，通过对实时数据的分析，能够实现对加工过程的有效控制。一方面，可以实现对增材制造设备运行状态的监控，避免因为设备原因引起的产品强度不达标；另一方面，可以实现对加工过程中可能出现的工艺问题进行预测。根据预测结果，及时对加工参数进行动态调整以保障产品的强度。另外，增材制造设备的数字孪生模型也会记录打印数据，并且将工人的操作经验和装配经验进行挖掘并转化为数据进行存储，为产品的设计优化和工艺流程优化提供参考依据。

3.3 基于强度数字孪生的产品服务

在产品的运行阶段，产品的强度数字孪生模型通过分析传感器采集到的实时数据，可以得出产品的运行状态，也可以综合产品的全生命周期数据进行故障预测与健康管理。同时，根据监测到的关键部位的强度指标，来量化各部件之间退化的相关性对产品的寿命进行预测，选择合适的修复程度进行维修，避免资源的浪费。

物理实体产品交付给用户时，需要同时提供给用户该产品的强度数字孪生模型。基于强度数字孪生的产品服务如图4所示，用户将厂家提供的产品的强度数字孪生模型在互联网虚拟空间中激活，创建与该产品编号对应的虚体[21]。用户可以通过虚体获得该产品的相关信息及产品的实时状态信息。产品在使用的过程中，传感器会采集产品的强度相关信息实时传递给虚体，虚体会及时分析物理实体的状况得出关键部位的强度指标，进行健康状况评估和寿命预测：一方面，把分析结果反馈给用户，对即将出现的故障进行预判，帮助用户及时对故障进行定位和排除；另一方面，虚体将该编号产品的信息反馈至产品的强度数字孪生模型，模型会汇总该型号产品所有实体的信息，经分析后发送给厂家。产品的售后服务人员可以对该编号的产品及时提供必要的维修服务。设计人员也可以根据产品的强度数字孪生模型提供的分析结果有针对性地对后代产品进行优化设计。

图4 基于强度数字孪生的产品服务

4 强度数字孪生的发展趋势

对强度数字孪生技术的研究和应用还处于初级阶段，它与增材制造、拓扑结构优化之间的结合应用仍然存在诸多挑战，如强度数字孪生的建模技术、增材制造技术的应用局限、数据信息安全性等问题。这些问题的解决需要与新的信息技术相融合，也需要在新的技术领域有所突破。

1)产品的强度数字孪生模型是具有高保真度的虚拟模型，它不仅包括物理实体的几何信息、物理信息，还需要实现对物理实体行为的模拟仿真，与物理实体之间形成实时的映射。传统的建模方法还无法准确地描述物理实体的各类指标，也无法实现模型与物理实体之间数据的互联互通和动态交互。因此，构建一个贯穿产品设计、制造、服务全生命周期的强度数字孪生模型将会是一个重要的研究方向。

2)在产品加工阶段所用到的增材制造技术在打印材料和打印精度方面还存在一定的局限性。3D打印技术不能打印的材料还比较多，而且打印速度和打印精度还比较低。对增材技术的研究也是推动强度数字孪生技术实现应用的一个重要方面。

3)产品的强度数字孪生模型含有产品全生命周期的所有信息，有些数据甚至是涉密的。因此，数字孪生平台极易受到攻击和被窃取数据。强度数字孪生技术的应用也需要与大数据和物联网相融合，安全保障问题会变得更复杂和严峻。因此，建立强度数字孪生领域的网络安全体系也是至关重要的。

5 结束语

本文提出了一种强度数字孪生技术与增材制造和拓扑结构优化技术相结合的方法。将强度数字孪生技术贯穿于产品的全生命周期过程中，形成产品强度可靠性保障的闭环，可大大延长产品的使用寿命。随着信息技术的发展、增材制造技术的发展、数字孪生网络安全体系的建立，强度数字孪生技术在未来产品制造过程中能够发挥不可估量的价值。