隨著多傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生作為突破性的技術(shù)發(fā)展勢頭顯著。數(shù)字孿生技術(shù)可以開發(fā)出與虛擬環(huán)境中的物理實體相對應(yīng)的虛擬模型。其中，虛擬模型可用于實時觀察產(chǎn)品狀態(tài)，分析產(chǎn)品變化，并通過雙向網(wǎng)絡(luò)物理交互進(jìn)行控制決策。
由于極端的應(yīng)用場景，對航天結(jié)構(gòu)件提出了嚴(yán)格的要求。例如，薄壁零件和高溫合金零件在高溫和沖擊載荷環(huán)境下工作。這使得該類產(chǎn)品的零件不僅滿足了結(jié)構(gòu)、材料、形狀和幾何精度的要求，而且還滿足了動力、氣動、傳熱、強(qiáng)度等性能指標(biāo)。因此，高性能航空零部件制造要求嚴(yán)格的過程幾何和性能質(zhì)量控制。
航空航天零件在機(jī)械加工行業(yè)的主要制造工藝是切削加工。而切削加工是典型的多學(xué)科耦合變化過程，涉及物理、化學(xué)、力學(xué)、材料、振動、摩擦學(xué)等相關(guān)知識和理論。在加工過程中，包括殘余應(yīng)力在內(nèi)的多學(xué)科耦合會導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的變化。然而，現(xiàn)有的傳統(tǒng)切削技術(shù)有其固有的缺點(diǎn)：沒有考慮到加工過程中伴隨著工件材料去除而發(fā)生的復(fù)雜狀態(tài)變化。它會導(dǎo)致誤差的不斷積累和傳遞，從而影響加工性能。
數(shù)字孿生的概念為切削過程的建模、分析和控制提供了有效的技術(shù)手段。數(shù)字孿生技術(shù)通過數(shù)據(jù)處理和共享，使切削過程中的各種狀態(tài)變化能夠“感知”、“預(yù)測”、“優(yōu)化”和“控制”。它可以通過融合多維的加工過程數(shù)據(jù)，如幾何、材料性能和加工參數(shù)的變化，對加工過程進(jìn)行建模、監(jiān)測和控制。然而，以往的研究成果不能直接使用于加工過程。首先，目前數(shù)字孿生加工領(lǐng)域的產(chǎn)品理論建模方法主要集中在機(jī)床和刀具上，而不是在加工過程中的產(chǎn)品本身。其次，現(xiàn)有的數(shù)字孿生研究大多是基于工廠層面，缺乏對加工過程的詳細(xì)信息。最后，現(xiàn)有方法建立的數(shù)字孿生模型缺乏自適應(yīng)的變化特性，不能反映加工對象的變化過程。
針對以上問題，本文提出了一種基于生物擬態(tài)的數(shù)字孿生建模方法，該方法能夠自適應(yīng)地構(gòu)建加工過程的多物理數(shù)字孿生體。利用這種方法，我們開發(fā)了多個數(shù)字孿生子模型，如幾何模型、行為模型和過程模型。這些數(shù)字孿生子模型可以相互作用，構(gòu)成物理加工過程的完整真實表示。為了驗證所提出的基于仿生的數(shù)字孿生建模方法的有效性，我們對該方法在導(dǎo)彈空氣舵的加工過程的監(jiān)控中進(jìn)行了測試。
圖1基于生物擬態(tài)的數(shù)字孿生參考模型
圖2數(shù)字孿生擬態(tài)模型的建立過程
