高楠，陳釗，劉全東，肖林

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610213）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備技術(shù)要求的不斷提高，液壓技術(shù)與現(xiàn)代社會(huì)的生產(chǎn)活動(dòng)日益密切，并在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)以及技術(shù)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用液壓技術(shù)的程度已成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)化水平的重要標(biāo)志。如何讓液壓成為全球視野中的獨(dú)角獸，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)液壓設(shè)計(jì)的形象，以一種全新的面貌來(lái)應(yīng)對(duì)全球工業(yè)的發(fā)展，是人們長(zhǎng)期探索的方向。當(dāng)前，以數(shù)字孿生、人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)為代表的新興學(xué)科的迅猛發(fā)展，為推進(jìn)傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計(jì)提供了方法。而其中數(shù)字孿生的虛擬世界和物理世界的融合技術(shù)更引起了廣泛的關(guān)注及應(yīng)用。液壓設(shè)計(jì)通過(guò)整合新興技術(shù)，將會(huì)產(chǎn)生飛躍式的質(zhì)變，并能為用戶提供全新的體驗(yàn)。將數(shù)字孿生技術(shù)與液壓設(shè)計(jì)相結(jié)合，來(lái)彌補(bǔ)傳統(tǒng)液壓設(shè)計(jì)的弊端，使得液壓設(shè)計(jì)向著創(chuàng)新型、智能型發(fā)展成為可能。

1 數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展

數(shù)字孿生是指借助數(shù)字技術(shù)對(duì)物理世界對(duì)象的行為、特征、性能等進(jìn)行建模及仿真，并搭建虛擬世界模型，在數(shù)字環(huán)境中通過(guò)物理世界和虛擬世界的數(shù)據(jù)融合、虛實(shí)交互反饋、健康管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)、模型等集成，構(gòu)建連接物理世界和虛擬世界的橋梁和紐帶。數(shù)字孿生技術(shù)作為20世紀(jì)以來(lái)的新興科學(xué)技術(shù)，正吸引著學(xué)術(shù)界、工業(yè)界的廣泛關(guān)注，如何應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)已成為大家研究的焦點(diǎn)。數(shù)字孿生的概念是由美國(guó)密歇根大學(xué)的邁克爾·格里夫斯（Michael Grieves）教授與美國(guó)航空航天局（NASA）的專家約翰·維克斯（John Vickers）共同提出的，并于2003年由格里夫斯教授在所講授的產(chǎn)品生命周期管理（PLM）課程上首次引入［1］。受限于當(dāng)時(shí)的發(fā)展水平及大眾認(rèn)知，并沒(méi)有得到廣泛關(guān)注。直至2011年美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）和NASA合作提出了構(gòu)建飛行器的數(shù)字孿生體，并定義數(shù)字孿生為一種面向飛行器或系統(tǒng)的仿真模型，能夠反映實(shí)體的功能、實(shí)時(shí)狀態(tài)及演變趨勢(shì)等，該技術(shù)才真正得到廣泛的關(guān)注。

2015年NASA技術(shù)發(fā)展路線圖中把數(shù)字孿生技術(shù)列為關(guān)鍵技術(shù)之一。2017—2019年，連續(xù)三年，Gartner公司都將數(shù)字孿生列為十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)［2-3］，并列的還有人工智能、沉浸式體驗(yàn)、區(qū)塊鏈等。2019年、2020年數(shù)字孿生概念得到了認(rèn)同和技術(shù)爆發(fā)，越來(lái)越多的學(xué)者研究并利用數(shù)字孿生技術(shù)解決實(shí)際工程問(wèn)題。其中包括國(guó)外的ANSYS公司和PTC公司聯(lián)合建立的泵的數(shù)字孿生模型、洛克希德-馬丁公司的基于數(shù)字孿生的深海探測(cè)技術(shù)及智能空間平臺(tái)，等。國(guó)內(nèi)由陶飛教授領(lǐng)銜的數(shù)字孿生小組為研究數(shù)字孿生較早的團(tuán)隊(duì)，提出了數(shù)字孿生五維模型，并聯(lián)合沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所等在內(nèi)的16家企業(yè)共同探討了數(shù)字孿生五維模型在衛(wèi)星/空間通信網(wǎng)絡(luò)、船舶、車輛抗毀傷評(píng)估等10大領(lǐng)域的應(yīng)用探索［4］。國(guó)內(nèi)其他廠家，如中興通訊打造了5G+工業(yè)數(shù)字孿生平臺(tái)、能科股份的“油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)軟件模擬仿真及驗(yàn)證系統(tǒng)”的全方位的數(shù)字孿生平臺(tái)等。

2 液壓技術(shù)的發(fā)展

1795年，英國(guó)約瑟夫·布拉曼（Joseph Bramah）在倫敦用水作為工作介質(zhì)，以水壓機(jī)的形式將其應(yīng)用于工業(yè)上，誕生了世界上第一臺(tái)水壓機(jī)，為20世紀(jì)液壓的發(fā)展奠定了科學(xué)與工藝基礎(chǔ)。1905年，美國(guó)人詹涅（Janney）首先將液壓介質(zhì)由水改為油，改善了19世紀(jì)工業(yè)上以水作為工作介質(zhì)所帶來(lái)的密封問(wèn)題，進(jìn)一步推動(dòng)了液壓的發(fā)展［5］。從此，液壓系統(tǒng)開(kāi)啟了它曲折傳奇的浪漫征程。第一次世界大戰(zhàn)（1914—1918年）后，液壓系統(tǒng)開(kāi)始被廣泛應(yīng)用，相繼出現(xiàn)了符合工況的泵閥、馬達(dá)等液壓元件。第二次世界大戰(zhàn)（1941—1945年）期間，美國(guó)機(jī)床中有30%應(yīng)用了液壓系統(tǒng)［5］，同時(shí)由于軍事上的需要，出現(xiàn)了以響應(yīng)快、精度高為特征的液壓元件和控制系統(tǒng)，將液壓推到了世界舞臺(tái)聚光燈下。在1955年前后，日本迅速發(fā)展液壓，并于1956年成立“液壓工業(yè)會(huì)”，隨后，日本液壓發(fā)展之快，居世界領(lǐng)先地位。

我國(guó)的液壓技術(shù)較國(guó)外起步較晚，20世紀(jì)60年代，我國(guó)液壓設(shè)計(jì)才開(kāi)始從仿制走向自主研發(fā)的道路［5］。20世紀(jì)80年代，伴隨著我國(guó)液壓技術(shù)的發(fā)展，液壓泵、液壓閥等基礎(chǔ)件落后于其他國(guó)家的問(wèn)題日益突出，為此，我國(guó)先后引進(jìn)了40余項(xiàng)國(guó)外先進(jìn)液壓技術(shù)，并與美國(guó)、日本等家國(guó)家液壓著名廠家合作，為我國(guó)液壓元件更深層次的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。如今，我國(guó)液壓行業(yè)有以江蘇恒立液壓、北京華德液壓、榆次液壓等為代表的龍頭企業(yè)，以浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、燕山大學(xué)等為代表的科研機(jī)構(gòu)，為我國(guó)液壓元件的國(guó)產(chǎn)化研發(fā)提供了支撐。經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)累積，我國(guó)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)已成為一個(gè)類別齊全，走向全球的工業(yè)學(xué)科，同時(shí)液壓方面的標(biāo)準(zhǔn)化工作也得到了很大發(fā)展。

20世紀(jì)50年代以來(lái)，隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生產(chǎn)自動(dòng)化的不斷提高，液壓技術(shù)在機(jī)械制造及汽車行業(yè)、能源與冶金、各類施工機(jī)械、原子能、航空、船舶及武器制造等領(lǐng)域得到了廣泛發(fā)展和應(yīng)用，逐步出現(xiàn)了批量的集成式機(jī)電一體化產(chǎn)品，提高了液壓系統(tǒng)的智能化程度和可靠性，并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)開(kāi)展了對(duì)液壓元件和系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能仿真及輔助設(shè)計(jì)。如今，液壓系統(tǒng)學(xué)科已經(jīng)長(zhǎng)成一棵枝繁葉茂的參天大樹(shù)，滲透于各行各業(yè)，不斷取得令人嘆為觀止的進(jìn)步，正在對(duì)世界經(jīng)濟(jì)、人類生活和社會(huì)進(jìn)步產(chǎn)生極其深刻的影響。21世紀(jì)是新一代智能化、信息化、數(shù)字化、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新興技術(shù)與液壓系統(tǒng)領(lǐng)域的研究、設(shè)計(jì)等融合的時(shí)代，將新技術(shù)引入到液壓設(shè)計(jì)中，對(duì)其的應(yīng)用領(lǐng)域、行業(yè)管理等產(chǎn)生影響并帶來(lái)革命性的變化，推動(dòng)行業(yè)進(jìn)入智能化等時(shí)代。

3 數(shù)字孿生技術(shù)在液壓設(shè)計(jì)中的應(yīng)用概括

液壓系統(tǒng)大部分都是用具有連續(xù)流動(dòng)性的液壓油充當(dāng)工作介質(zhì)，通過(guò)液壓泵將驅(qū)動(dòng)泵的原動(dòng)機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體的液壓能，經(jīng)過(guò)壓力、流量方向等各種控制閥，送至執(zhí)行器中，轉(zhuǎn)換為機(jī)械能去驅(qū)動(dòng)負(fù)載，一般都是由動(dòng)力源、執(zhí)行器、控制閥、液壓輔件及液壓工作介質(zhì)等組成，一個(gè)簡(jiǎn)單的液壓系統(tǒng)原理圖如圖1。

圖1 液壓系統(tǒng)原理

由于液壓系統(tǒng)的龐大，如液壓元件種類多、數(shù)量多、工況復(fù)雜等，造成液壓設(shè)計(jì)過(guò)程中難點(diǎn)多、困難大，主要有：

（1）液壓元件安裝布局復(fù)雜。液壓元件的布置雖不受嚴(yán)格的空間位置限制，但卻需要管道之間的聯(lián)通來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的各部分連接，因此空間布局安裝需要多次反復(fù)嘗試。

（2）液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本高。液壓元件制造精度要求較高，且需防止和減少泄露，同時(shí)部分元件需做樣進(jìn)行試驗(yàn)，成本過(guò)高。

（3）液壓系統(tǒng)故障診斷困難。液壓元件屬機(jī)械元件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)制造難，因此故障不易診斷。

綜上所述，由于液壓的設(shè)計(jì)復(fù)雜性等，在液壓全生命周期中，引入數(shù)字孿生技術(shù)，形成液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真、校核、測(cè)試、運(yùn)維等全流程的可視化、帶檢測(cè)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)采集與仿真的數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行故障診斷與維護(hù)，可減少傳統(tǒng)液壓設(shè)計(jì)所帶來(lái)的弊端。

液壓系統(tǒng)數(shù)字孿生模型集成了多層次的模型，不同結(jié)構(gòu)層次的物理實(shí)體在虛擬空間均需建立相對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生模型，如動(dòng)力源、執(zhí)行器、控制閥、液壓輔件模等基礎(chǔ)模型；系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)模型；含基礎(chǔ)模型的材料強(qiáng)度、剛度等特性的校驗(yàn)?zāi)Ｐ偷?。將Creo/Solidworks作為液壓系統(tǒng)模型搭建的設(shè)計(jì)軟件，在模型搭建的基礎(chǔ)上添加數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)間的交互、數(shù)據(jù)雙向互通，從而促使數(shù)字孿生與真實(shí)空間中物理實(shí)體信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行連接及交互，實(shí)現(xiàn)全生命周期數(shù)據(jù)統(tǒng)一集中管理，達(dá)到最終的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具體架構(gòu)如圖2。

圖2 液壓設(shè)計(jì)數(shù)字孿生模型的搭建架構(gòu)

模型設(shè)計(jì)過(guò)程中可用如下方法進(jìn)行：

（1）模型輕量化處理。液壓系統(tǒng)模型搭建過(guò)程中，高精度建模和仿真數(shù)據(jù)較多，同時(shí)還需考慮動(dòng)力源、執(zhí)行器、控制閥、液壓輔件及液壓工作介質(zhì)間的相互影響，眾多因素影響下，導(dǎo)致模型三維可視化效果實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，因而可對(duì)液壓模型進(jìn)行輕量化處理，對(duì)模型的幾何信息進(jìn)行簡(jiǎn)化和壓縮，并對(duì)尺寸、屬性、參數(shù)等信息進(jìn)行簡(jiǎn)化提取。

（2）ROM降階處理。在保留模型的主要特性，尤其是全3D仿真對(duì)應(yīng)的物理域特性下，對(duì)模型進(jìn)行ROM降階處理，可加快3D仿真的速度、高精度系統(tǒng)數(shù)據(jù)仿真分析。

（3）3R技術(shù)。為保證虛實(shí)模型間的真實(shí)性，將3R（VR、AR、MR）技術(shù)引入到液壓模型搭建過(guò)程中，用戶通過(guò)使用虛擬交互設(shè)備，像在真實(shí)環(huán)境中一樣對(duì)各設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行體驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，從而對(duì)設(shè)計(jì)提出改進(jìn)意見(jiàn)，并且由于建模修改的便捷性，這個(gè)過(guò)程可以迭代多次，確保各系統(tǒng)的適應(yīng)性。

4 數(shù)字孿生技術(shù)在液壓集成塊中的具體實(shí)施

集成塊（液壓閥塊）是集成式液壓的核心單元，它是安裝元件的支撐體，是一個(gè)或多個(gè)特別的圓柱孔道的六面閥塊體，其上安裝有各種液壓元件，如液壓閥、管接頭、壓力表等，內(nèi)部的孔道與元件孔道相連通，構(gòu)成液壓集成回路，實(shí)現(xiàn)液壓控制要求。集成塊在設(shè)計(jì)時(shí)，由于內(nèi)部復(fù)雜的孔道及不一的孔深，導(dǎo)致孔道間有的不相通，有的相通，孔道間相互交錯(cuò)，如果僅通過(guò)二維平面圖，圖紙表現(xiàn)不明確，如圖3。將數(shù)字孿生應(yīng)用于集成塊設(shè)計(jì)中，可以讓設(shè)計(jì)人員在前期方案設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，避免重復(fù)性工作，縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，擺脫“手工”設(shè)計(jì)模式，同時(shí)使集成塊孔道設(shè)計(jì)及驗(yàn)證變得更為準(zhǔn)確化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化。

圖3 集成塊平面設(shè)計(jì)

數(shù)字孿生在集成塊設(shè)計(jì)中的步驟有（具體設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖4）：初步確立原理圖，以壓力、流量為參考，采用液壓公式計(jì)算集成塊孔道直徑、孔間壁厚等，并進(jìn)行初步校核，對(duì)液壓元件進(jìn)行選取。借助三維軟件建模，完成孔道布局設(shè)計(jì)，搭建集成塊模型，實(shí)現(xiàn)力學(xué)等有限元分析。同時(shí)對(duì)搭建的模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以工程實(shí)際中的閥組信息為基礎(chǔ)，使用U3D/Q3D引擎軟件對(duì)模型進(jìn)行交互式開(kāi)發(fā)，建立虛擬現(xiàn)實(shí)（VR/AR）環(huán)境，實(shí)現(xiàn)模型可視化、沉浸感。

圖4 數(shù)字孿生在集成塊設(shè)計(jì)中的流程

圖5 集成塊三維模型

VR環(huán)境下，集成塊模型可以開(kāi)發(fā)不同的模式。例如，在沙盒模式下，液壓設(shè)計(jì)人員對(duì)集成塊模型進(jìn)行不同角度及方位的觀察。漫游模式下，設(shè)計(jì)人員通過(guò)使用HTC VIVE Pro頭顯等設(shè)備直接進(jìn)入集成塊內(nèi)部孔道進(jìn)行查看，觀察各孔道之間連通區(qū)域是否存在干涉，確定孔深及干涉處的調(diào)整量，達(dá)到人機(jī)交互模式下的驗(yàn)證工作。布置模式下，借助前期搭建的資源設(shè)備庫(kù)模型，設(shè)計(jì)人員利用VR手柄/Noitom Hi5動(dòng)捕手套，選取需要放置的液壓閥，將其放置在集成塊模型上，進(jìn)行虛擬布局等，如圖6所示。當(dāng)然在布置模式下，通過(guò)將液壓閥放置在未開(kāi)孔的集成塊上，虛擬平臺(tái)可以智能算出最優(yōu)的布孔方案（包含孔深、孔徑、孔壁等），實(shí)時(shí)生成集成塊孔道圖，實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)計(jì)等。人因模式下，實(shí)時(shí)連接液壓泵站系統(tǒng)中的運(yùn)行數(shù)據(jù)，反饋在虛擬模型上，進(jìn)行同步運(yùn)行等。

圖6 集成塊裝配體

5 展望

隨著新興技術(shù)的不斷應(yīng)用與發(fā)展，工業(yè)4.0、智能制造等發(fā)展戰(zhàn)略的出臺(tái)，數(shù)字孿生技術(shù)開(kāi)始成為未來(lái)設(shè)計(jì)及制造行業(yè)的重要一員。本文基于數(shù)字孿生技術(shù)，結(jié)合液壓設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，提出了數(shù)字孿生模型下的液壓虛實(shí)融合設(shè)計(jì)，同時(shí)以數(shù)字孿生在液壓集成塊的設(shè)計(jì)為例，分析了液壓集成塊數(shù)字孿生模型的流程設(shè)計(jì)。通過(guò)采用數(shù)字孿生下的液壓設(shè)計(jì)，減少傳統(tǒng)設(shè)計(jì)弊端，使液壓技術(shù)的集成變得更加容易，能有效提高液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度、精細(xì)化等，為推動(dòng)液壓系統(tǒng)向著智能化、數(shù)字化、信息化的發(fā)展提供參考。