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1、以设计为中心的虚拟制造技术及在化工过程装备中的应用周帼彦,凌 祥,涂善东(南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京 210009)摘 要:简述了虚拟制造技术的内涵、关键技术及应用现状。在分析化工过程装备特点基础上,对过程装备虚拟制造技术平台的体系结构进行了探讨,以典型过程装备螺旋片导流式气液分离器为例,对其数字化建模方法、数值仿真技术、虚拟设计和制造环境进行了研究。初步结果表明:以设计为中心的虚拟制造技术的应用,可以有效地减少产品开发的时间和成本,提高产品质量。关键词:虚拟制造;数字化;数值仿真;化工过程装备当今制造业正朝着柔性化、集成化、信息化和智能化的方向发展,先进制造技术和先
2、进制造模式不断产生。根据企业市场竞争的需求,在强调柔性和快速的前提下,20世纪80年代美国首先提出虚拟制造的概念[1]。随着计算机技术和信息网络技术的发展,虚拟制造技术在90年代获得了迅速的发展,已成为先进制造技术的研究热点之一。尽管它的出现只有短短的几十年时间,但它对制造业的革命性的影响却很快地显示了出来。化工过程装备在国民经济建设中占有显著的地位。在化工生产过程中,为了实现不同的物理化学的反应,工艺过程常常千变万化,要求过程装备的服役条件千差万别,这就决定了化工过程装备具有多样性、复杂性、快速响应的特点[2]。因此将虚拟制造技术应用到化工过程装备设计和制造中,可以改进传统的落后
3、生产方式,提高生产效率,提高产品的市场竞争能力。为此,针对化工过程装备的具体特点,对过程装备的虚拟制造技术进行初步分析和研究。1 虚拟制造技术概述1.1 虚拟制造技术的内涵虚拟制造技术(ｖｉｒｔｕａｌｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ,简称ＶＭＴ)是一种新型的先进制造技术,它以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术为支撑,对设计、制造等生产过程进行统一建模,在产品设计阶段或产品制造之前,就能实时、并行地模拟出产品未来制造全过程及其对产品设计的影响,并可预测、评价产品的性能、制造成本和可制造性,从而更有效、灵活地组织生产,以达到产品综合最优化(即ＴＱＣＳ)的目的[3～4]。它具
4、有高度集成、敏捷灵活和分布合作的特点[5]。其研究内容包括[6]:以设计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造等。1.2 虚拟制造的关键技术虚拟制造系统是各制造功能的虚拟集成。计算机仿真、建模和优化技术,虚拟现实环境是虚拟制造的核心与关键技术[6]。现分别简述如下:1.2.1 计算机仿真技术构造虚拟环境,从宏观、微观两个角度进行生产系统、加工过程和加工单元的仿真,具体内容包括物理过程和化学反应过程等的仿真,以支持制造全过程。1.2.2 建模技术产品模型(完备的产品模型使产品实施过程中的全部活动融于一体)、工艺模型(包括功能模型、物理和数学模型、统计模型、计
5、算机工艺仿真、制造数据表和制造规则)、生产模型(静态描述和动态描述,从而可预测产品生产的全过程)。1.2.3 优化技术以一定的约束条件构造合适的优化算法,以最少的分析次数得到局部或全局的最优解。1.2.4 虚拟现实环境在多维的数字化空间,可获得人与环境互相作用的各种信息。从而在进行多领域、深层次的创造性活动时节省时间、节约资源。1.3 虚拟制造技术应用现状虚拟制造技术在国内外已有应用实例。在美国,采用虚拟制造技术成功地设计了波音777飞机,从设计到加工完全实现无图纸化,缩短了数千小时的工作量并节省了大量经费[7]。福特、通用等汽车公司也都成功地运用了部分虚拟制造技术,还建立了三维实
6、体模型来进行碰撞分析和运动特性分析,这些虚拟技术的应用大大缩短了设计周期,降低了设计成本[8]。在国内,北京机械科学研究院把虚拟制造技术应用于立体车库设计,初步实现直观地布局、参数化设计分析和运动模拟[9]。当前我国正在重点研究基于我国国情的产品三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真,主要目标是在产品设计阶段实现以较高的置信度预测所设计产品的最终性能和可制造性,并逐步应用于航空航天、军事、精密机床、微电子等领域中。2 以设计为中心的虚拟制造技术在化工过程装备中的应用随着经济改革的深入,我国的制造业正在由传统型向现代型过渡。其制造系统还存在着以下问题[10]:系统投资较大、周期较长
7、,难以评估效益及风险;开发新产品,无法有效预测其开发价值、所得效益及风险;不能确实有效地协调设计与制造各阶段的关系,得到企业整体全局最优效益。这些特点尤其在化工过程装备制造系统中表现明显。而以设计为中心的虚拟制造技术是一种软件技术,它可以解决以上存在的问题,且符合化工过程装备特点要求。2.1 化工过程装备的特点化工过程装备的特点是由过程工艺所决定的,为了实现不同的物理化学反应,工艺过程常常千变万化,因此过程装备的工艺性很强;其次,过程装备趋向于单系列化,其规模趋向于大
