三一重机流程信息化部主管 周伟
一、基于数字样机技术的产品研发流程与能力建设
数字样机技术经历了长期的发展，早在20世纪80年代，计算机辅助设计CAD和计算机辅助工程CAE技术开始进入工程设计，全功能数字样机技术（Digital Mockup-DMU）逐渐发展起来；20世纪90年代，数字样机系统应用于产品开发，波音公司777飞机研制中应用了100%的三维数字化定义和100%的数字化预装配，成本降低25%，出错返工率减少75%，制造周期缩短了50%；到了21世纪，各种设计软件日趋成熟，数字化样机技术得到迅猛发展。多领域多维度数字样机广泛应用于汽车、航空等各个领域，在工程机械行业内的标杆企业卡特、小松等均采用数字样机技术进行新产品研发。
全功能数字样机技术解决了现代企业面临市场激烈竞争所需的T（最快的产品上市时间）、Q（最好的产品质量）、C（最低的产品成本）、S（良好的产品服务）和E（尽少的环境污染）等难题。为了降低产品开发成本，缩短研发周期，保证产品质量并促进创新，能快速响应市场变化，为客户提供良好的服务，三一重机引进了数字化样机技术。
数字化样机技术不仅仅是一些软件的应用，还涉及到企业的发展战略、组织架构、流程工具和文化等。传统的产品开发流程是从产品设计到加工制造、试验测试再倒结果分析，而引入了数字化样机技术的现代产品开发流程中，将数字模型与测试提到产品加工制造之前。基于数字样机的产品开发“V”型流程见下图。在这个研发流程中数字样机的应用层级依次是三维设计、装配干涉、运动干涉；有限元、动力学、疲劳、振动等；机电液联合仿真、虚拟实验；基于模型的控制系统开发；整机在环。
基于数字样机的产品开发“V”型流程
我们围绕数字化样机技术进行的能力建设主要包括样机集成及产品设计、有限元与优化、液压与控制、信息集成与软件开发四个方面。
数字化样机技术能力建设
同时我们构建了一个数字化协同研发平台，依次是资源层、支撑层、应用层和展示层。
数字化协同研发平台
通过基于数字样机技术的虚拟建模、工况仿真、部件优化和虚拟制造等，我们希望形成产品研发全周期的数字化设计。
产品研发全周期数字化设计
二、数字样机应用技术成果
●SCC36000A履带起重机数字样机
此项目攻克了超起配重小车多履带同步运动技术，属世界首创，获得了集团创新奖。现场测试证明数字样机结果的可靠性，同时数字样机技术在国核验收中起到了关键作用。
SCC36000A履带起重机数字样机
●履带起重机虚拟培训系统
该系统是国内领先履带起重机虚拟培训系统，大大提高了驾驶员培训效率，减少了用户成本，降低了事故风险。履带起重机虚拟培训系统参与了工信部两化融合成果展，是集团2项重点项目之一。
履带起重机虚拟培训系统
●某型矿车数字样机
在该型矿车设计中，31项数字样机成果全部被采用。通过虚拟路谱成功模拟实际工况，用于整车系统及零部件疲劳分析。提高了整车可靠性、操纵稳定性与舒适性。
某型矿车数字样机
●基于模型的某型电驱动系统开发
基于数字样机技术开发的某型电驱动系统，包含35个功能控制模块、100个故障保护模块、200多个控制参数和一百多项核心技术。
基于模型的电驱动系统开发
●硬件在环实时仿真技术
通过基于数字样机的硬件在环实时仿真技术，可以模拟实际传感器与执行器特性、危险工况及各类电气故障，实时仿真验证控制器硬件。
硬件在环实时仿真技术
三、数字样机用于产品设计的五步法
1、分析问题，正确简化问题和约束；
2、建立数字样机，复现问题；
3、头脑风暴，搜集各种可能实际解决方案；
4、运用数字化样机评估各种解决方案，找出最佳方案；
5、将最佳方案用于实际产品，改进设计，实验验证。
以某型大挖动臂疲劳开裂分析为例，首先分析故障与方案，建立模型。然后采用相对运动的方法，模拟挖掘机工作装置实际动态工况，进行疲劳计算，提取动态工况下的载荷谱。根据大量挖掘机现场工况及文献资料，得到了用于疲劳优化计算的4种典型工况：
工况1：最大挖掘半径，起始姿态为为最大挖掘半径姿态，经过起始、挖掘、回转提升、卸载、回转下放阶段。工况2：最大作用力臂，始姿态为动臂及斗杆油缸最大作用力臂、铲斗油缸最大挖掘力姿态，经过起始、挖掘、回转提升、卸载、回转下放阶段。工况3：油缸全缩，起始姿态为工作装置油缸全缩姿态，经过起始、挖掘、回转提升、卸载、回转下放阶段。工况4：刨坡，经过起始、刨坡、回缩、挖掘、回转提升、卸载、回转下放阶段。
用于疲劳优化计算的4种典型工况
在边界条件、载荷谱、S-N曲线相同的条件下，采用类比定性分析方法，对动臂、斗杆疲劳寿命进行分析和优化，并提出设计建议。最终改进方案：将焊缝平移327mm，然后在平移后焊缝之间添加一块16mm厚的筋板。动臂前支承疲劳寿命提高了96.76%，分析结果与大挖已实施方案基本一致。
优化结果
通过应用“数字样机运用五步法”，建立了挖掘机分析能力：能够提供接近实际工况的疲劳载荷谱，进行焊缝疲劳优化分析；能够计算任意姿态铲斗和斗杆最大挖掘力，并据此进行强度、刚度校核；以提升挖掘效率为目标，建立的挖掘力计算模型，进行工作装置结构优化分析，全面提高铲斗、斗杆最大挖掘力及主挖掘区域平均挖掘力。分析结果和大挖的现场经验和改进方案基本一致。这种分析流程同样可以用于其他型号挖机的设计。
四、三一数字样机应用现状
经过努力，数字样机技术在三一集团取得了明显进步，但应用的深度和发挥的作用仍然存在不足，主要包括：
●基础研究不足，分析规范和经验缺乏，试验验证手段不足。
●应用深度和应用层级不够，基本停留在验证阶段，且侧重结构分析，系统的联合仿真使用不多。
●专家人才缺乏，特别是对产品设计有深刻理解，同时又掌握数字样机研发手段的高层次数字样机应用人才。
●创新力度不够，数字样机技术没有渗透到产品研发的每一阶段与项目开发过程完全融合。
根据三一重机流程信息化部主管周伟在2013第九届中国制造业产品创新数字化国际峰会的发言整理而成，已经本人确认！
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本文标题：基于数字样机技术的产品研发和创新
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