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,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,其规模趋向于大型化,要求更长的运行周期,对过程装备的长期可靠性提出了极高的要求。另外,过程装备的服役条件千差万别:有高温、低温、深冷;有超高压、高压、中压、低压、真空等;有气、液、固三相之不同;有强酸、强碱、剧毒、易燃、易爆等,这些工艺特点决定了化工产品开发周期长和设计效率低的问题[2]。此外,化工产品一次建成投资大,设备大多要求可重用;产品非标准件多,单独设计、改造任务繁重;制造加工过程具有很强的综合性,还包括大量焊接制造;行业法规性较强。由以上分析表明,多样性、复杂性和实现快速响应是化工过程装备的主要特点。因此,在运用先进制造技术实现快速、高效的设计、制造、生产过程时,必须要响应过程装备的特点要求。
2.2 化工过程装备虚拟制造技术平台的体系结构
化工过程是由众多不同的物理过程(如传热、传质、分离、干燥等)或化学反应所组成,由于其反应的环境、机理各不相同,操作条件各异,因而装置结构设计的好坏直接影响着反应设备内的物理过程和化学反应的效果。基于此分析,化工过程装备主要是采用基于过程(化学反应或物理过程)的仿真来优化产品和过程设计,以实现特定的制造目标,因此属于以设计为中心的虚拟制造系统。基于物理过程和化学反应的虚拟、基于设备控制过程的虚拟和基于设备安全服役的虚拟3部分组成了化工过程装备的虚拟制造系统。现代化工过程装备制造系统由现实物理系统(ＲＰＳ)和现实信息系统(ＲＩＳ)2个子系统组成[11]。其中ＲＰＳ由系统中的物理实体(包括材料、流体介质、设备、反应物料、加载器和控制器等)组成,当系统运行时,这些物理实体具有一定的行为和交互。ＲＩＳ涉及信息处理和决策的活动,如设计、计划、调度、控制和评估等,它由计算机和人员组成。ＲＰＳ向ＲＩＳ发送状态报告,ＲＩＳ生成并向ＲＰＳ发送控制指令,两者只是进行有关信息的交换。用计算机系统来作相应解释就是虚拟物理系统(ＶＰＳ)和虚拟信息系统(ＶＩＳ)的交互作用。ＶＰＳ包括虚拟反应系统(ＶＲＳ)、虚拟流动系统(ＶＦＳ)、虚拟服役系统(ＶＳＳ)3个子系统。ＶＩＳ是基于计算机支持的产品设计活动,它包括ＣＡＤ、流体动力学传热学分析、数值仿真(有限元分析)、ＣＡＰＰ和ＣＡＭ等。ＲＰＳ的信息反映到ＶＰＳ,作用于其子系统。ＶＲＳ受ＶＩＳ命令的控制,并向ＶＩＳ返回状态报告;ＶＩＳ接收并检测信息后将控制命令作用于ＶＦＳ,ＶＦＳ再将其状