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。