三一重機流程信息化部主管 周偉
一、基于數字樣機技術的產品研發流程與能力建設
數字樣機技術經歷了長期的發展，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，全功能數字樣機技術（Digital Mockup-DMU）逐漸發展起來；20世紀90年代，數字樣機系統應用于產品開發，波音公司777飛機研制中應用了100%的三維數字化定義和100%的數字化預裝配，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，數字化樣機技術得到迅猛發展。多領域多維度數字樣機廣泛應用于汽車、航空等各個領域，在工程機械行業內的標桿企業卡特、小松等均采用數字樣機技術進行新產品研發。
全功能數字樣機技術解決了現代企業面臨市場激烈競爭所需的T（最快的產品上市時間）、Q（最好的產品質量）、C（最低的產品成本）、S（良好的產品服務）和E（盡少的環境污染）等難題。為了降低產品開發成本，縮短研發周期，保證產品質量并促進創新，能快速響應市場變化，為客戶提供良好的服務，三一重機引進了數字化樣機技術。
數字化樣機技術不僅僅是一些軟件的應用，還涉及到企業的發展戰略、組織架構、流程工具和文化等。傳統的產品開發流程是從產品設計到加工制造、試驗測試再倒結果分析，而引入了數字化樣機技術的現代產品開發流程中，將數字模型與測試提到產品加工制造之前。基于數字樣機的產品開發“V”型流程見下圖。在這個研發流程中數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；機電液聯合仿真、虛擬實驗；基于模型的控制系統開發；整機在環。
基于數字樣機的產品開發“V”型流程
我們圍繞數字化樣機技術進行的能力建設主要包括樣機集成及產品設計、有限元與優化、液壓與控制、信息集成與軟件開發四個方面。
數字化樣機技術能力建設
同時我們構建了一個數字化協同研發平臺，依次是資源層、支撐層、應用層和展示層。
數字化協同研發平臺
通過基于數字樣機技術的虛擬建模、工況仿真、部件優化和虛擬制造等，我們希望形成產品研發全周期的數字化設計。
產品研發全周期數字化設計
二、數字樣機應用技術成果
●SCC36000A履帶起重機數字樣機
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，獲得了集團創新獎。現場測試證明數字樣機結果的可靠性，同時數字樣機技術在國核驗收中起到了關鍵作用。
SCC36000A履帶起重機數字樣機
●履帶起重機虛擬培訓系統
該系統是國內領先履帶起重機虛擬培訓系統，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
●某型礦車數字樣機
在該型礦車設計中，31項數字樣機成果全部被采用。通過虛擬路譜成功模擬實際工況，用于整車系統及零部件疲勞分析。提高了整車可靠性、操縱穩定性與舒適性。
某型礦車數字樣機
●基于模型的某型電驅動系統開發
基于數字樣機技術開發的某型電驅動系統，包含35個功能控制模塊、100個故障保護模塊、200多個控制參數和一百多項核心技術。
基于模型的電驅動系統開發
●硬件在環實時仿真技術
通過基于數字樣機的硬件在環實時仿真技術，可以模擬實際傳感器與執行器特性、危險工況及各類電氣故障，實時仿真驗證控制器硬件。
硬件在環實時仿真技術
三、數字樣機用于產品設計的五步法
1、分析問題，正確簡化問題和約束；
2、建立數字樣機，復現問題；
3、頭腦風暴，搜集各種可能實際解決方案；
4、運用數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工況，進行疲勞計算，提取動態工況下的載荷譜。根據大量挖掘機現場工況及文獻資料，得到了用于疲勞優化計算的4種典型工況：
工況1：最大挖掘半徑，起始姿態為為最大挖掘半徑姿態，經過起始、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，經過起始、挖掘、回轉提升、卸載、回轉下放階段。工況3：油缸全縮，起始姿態為工作裝置油缸全縮姿態，經過起始、挖掘、回轉提升、卸載、回轉下放階段。工況4：刨坡，經過起始、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。
優化結果
通過應用“數字樣機運用五步法”，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，進行焊縫疲勞優化分析；能夠計算任意姿態鏟斗和斗桿最大挖掘力，并據此進行強度、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化分析，全面提高鏟斗、斗桿最大挖掘力及主挖掘區域平均挖掘力。分析結果和大挖的現場經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、三一數字樣機應用現狀
經過努力，數字樣機技術在三一集團取得了明顯進步，但應用的深度和發揮的作用仍然存在不足，主要包括：
●基礎研究不足，分析規范和經驗缺乏，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，系統的聯合仿真使用不多。
●專家人才缺乏，特別是對產品設計有深刻理解，同時又掌握數字樣機研發手段的高層次數字樣機應用人才。
●創新力度不夠，數字樣機技術沒有滲透到產品研發的每一階段與項目開發過程完全融合。
根據三一重機流程信息化部主管周偉在2013第九屆中國制造業產品創新數字化國際峰會的發言整理而成，已經本人確認！
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