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内容简介

在当今智能化时代，数字仿真作为一项前沿性技术正迅速崛起，为整个工业带来了更多可能性和发展机遇。三一集团是工业先驱，有义务也有责任以身作则。于是，三一集团积极探索数字仿真之道，致力于将其应用到产品研发、设计、创新、改进等诸多环节中。本书以三一集团的数字仿真战略为核心，先介绍了数字仿真的理论知识、发展现状、全球格局等内容，同时总结了三一集团在数字仿真上所做的努力。然后，本书又深入讲述了三一集团的数字仿真体系，包括流程体系、人才体系、方法体系；数字仿真技术，包括结构仿真、振动与噪声仿真、多体动力学仿真、流体仿真、系统仿真、电磁仿真；数字仿真创新方案，包括仿真数智化和数字孪生，可谓是干货满满。之所以创作本书，除了总结和分析三一集团的数字仿真之道以外，也是希望其他工业企业可以受到启发，尽快制定出适合自己的数字仿真战略，为工业转型贡献一份力量。

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ISBN：9787121500510

开本：16(170*240)

页数：224

字数：250

本书目录

识局篇 工业转型战略选择 / 001 
第1章 
数字仿真：现代工业企业升级之道 / 002 
1.1 时代变革：走近数字仿真 / 003 
1.1.1 数字仿真究竟是什么 / 003 
1.1.2 数字仿真有哪些特点 / 004 
1.2 发展格局：数字仿真不断进阶 / 006 
1.2.1 仿真技术发展历史 / 007 
1.2.2 新时代的数字仿真内涵 / 008 
1.3 应用场景：数字仿真价值展现 / 013 
1.3.1 产品设计：优化产品性能，提升产品竞争力 / 013 
1.3.2 物理试验：缩短试验周期，降低试验成本 / 018 
1.3.3 售后服务：洞察故障机理，提升客户满意度 / 021 
1.4 价值升级：数字仿真与产品创新 / 024 
1.4.1 加快产品创新速度 / 024 
1.4.2 降低产品创新成本 / 025 
1.5 三一集团：争做行业数字仿真引领者 / 028 
1.5.1 体系战略：自主打造数字仿真体系 / 028 
1.5.2 技术战略：将仿真技术价值发挥到极致 / 036 
1.5.3 数智战略：提升仿真自动化与智能化水平 / 039 
技术篇 数字仿真技术落地 / 043 
第2章 
结构仿真：提高结构可靠性，延长寿命 / 044 
2.1 结构仿真概述 / 045 
2.1.1 结构仿真关键技术 / 045 
2.1.2 结构仿真典型应用场景 / 048 
2.2 结构可靠性仿真典型案例 / 049 
2.2.1 挖掘机：工作装置更加经久耐用 / 049 
2.2.2 装载机：车架更加安全可靠 / 052 
2.2.3 机械式压裂泵：疲劳寿命仿得更准 / 054 
2.2.4 风力发电机：叶片疲劳试验周期更短、成本更低 / 056 
2.2.5 自卸车：电池框寿命更长 / 059 
2.3 结构轻量化仿真典型案例 / 061 
2.3.1 起重机：配重块不“重”很关键 / 062 
2.3.2 消防车：臂架全姿态减重增效 / 064 
 
第3章 
振动与噪声仿真：舒适度大提升 / 067 
3.1 振动仿真概述 / 068 
3.1.1 振动仿真关键技术 / 068 
3.1.2 振动仿真典型应用场景 / 069 
3.2 噪声仿真概述 / 070 
3.2.1 噪声仿真关键技术 / 070 
3.2.2 噪声仿真应用场景 / 071 
3.3 振动与噪声仿真典型案例 / 072 
3.3.1 电动堆高机：更好的操作舒适体验 / 072 
3.3.2 电动港口牵引车：更好的驾乘舒适性 / 075 
3.3.3 电动自卸车：让驾驶更平顺 / 078 
3.3.4 挖掘机：出色的产品降噪性能 / 080 
3.3.5 柱塞泵：运行更安静 / 083 
第4章 
多体动力学仿真：解析运动特性 / 086 
4.1 多体动力学仿真概述 / 087 
4.1.1 多体动力学仿真关键技术 / 087 
4.1.2 多体动力学仿真典型应用场景 / 089 
4.2 多体动力学仿真典型案例 / 090 
4.2.1 混凝土泵车：臂架走得稳、打得准 / 090 
4.2.2 牵引车：更精准的载荷数据 / 092 
4.2.3 自卸车：卓越的驾驶操控 / 094 
4.2.4 正面吊：更好的防倾翻性能 / 097 
第五章 
流体仿真：将复杂流体运动具象化 / 100 
5.1 流体仿真概述 / 101 
5.1.1 流体仿真关键技术 / 101 
5.1.2 流体仿真典型应用场景 / 103 
5.2 流场仿真典型案例 / 103 
5.2.1 氢燃料牵引车：更好的散热性能 / 104 
5.3 温度场仿真典型案例 / 106 
5.3.1 驾驶室：把冬日严寒挡在车外 / 106 
5.3.2 驾驶室：不惧酷热挑战 / 109 
5.3.3 驾驶室：除霜又除雾，视野更清晰 / 111 
5.3.4 自卸车：有温度的货箱底板 / 113 
5.3.5 光伏装备：温度均匀的真空镀膜设备 / 115 
5.4 多相流仿真典型案例 / 117 
5.4.1 粉体搅拌机：搅拌既快又均匀 / 117 
5.4.2 氢燃料电池：高效的分水性能 / 119 
5.5 离散元仿真典型案例 / 122 
5.5.1 挖掘机：铲斗装载物料模拟更逼真 / 122 
5.5.2 光伏装备：加料器硅料输送更稳定 / 124 
5.6 多物理场耦合仿真典型案例 / 127 
5.6.1 氢能装备：节能与降本两者兼得 / 127 
第6章 
系统仿真：让系统 / 零部件匹配更好，性能更优 / 130 
6.1 系统仿真概述 / 131 
6.1.1 系统仿真关键技术 / 131 
6.1.2 系统仿真典型应用场景 / 133 
6.2 机电液控联合仿真典型案例 / 134 
6.2.1 电动装载机：效率更高、能耗更低 / 134 
6.2.2 破拆消防车：臂架系统作业更平顺 / 136 
6.3 动力经济性仿真典型案例 / 139 
6.3.1 氢燃料牵引车：更低的氢耗、更长的续航 / 139 
6.3.2 汽车起重机：更低的作业能耗、更出色的机动性能 / 142 
6.4 能量管理仿真典型案例 / 144 
6.4.1 电动自卸车：电池 / 电机系统匹配更好、运行更安全 / 145 
6.4.2 电动装载机：集成式热管理系统极致的性能开发 / 147 
6.5 数字样机：提升研发效率、缩短研发周期的利器 / 150 
6.5.1 什么是数字样机 / 151 
6.5.2 超大型挖掘机：整机级性能样机带来的美好体验 / 152XIX 
第7章 
电磁兼容仿真：减少干扰，让系统更安全可靠 / 156 
7.1 电磁兼容仿真概述 / 157 
7.1.1 电磁兼容仿真技术分类 / 157 
7.1.2 电磁兼容仿真典型应用场景 / 158 
7.2 电磁兼容仿真典型案例 / 159 
7.2.1 牵引车：“大脑”更加安全可靠 / 159 
7.2.2 牵引车：整车天线布局更合理 / 161 
创新篇 数字仿真创新战略 / 163 
第8章 
仿真数智化：引领数字仿真发展趋势 / 164 
8.1 仿真自动化 / 165 
8.1.1 仿真自动化的价值 / 165 
8.1.2 路机：结构仿真自动化工具集 / 167 
8.1.3 履带板：结构轻量化仿真自动化工具 / 169 
8.1.4 装载机：三维热平衡仿真自动化工具 / 172 
8.1.5 牵引车：动力经济性仿真自动化工具 / 174 
8.2 仿真全量全要素在线 / 176 
8.2.1 仿真在线的价值 / 176 
8.2.2 三一仿真在线实践 / 177 
8.3 仿真智能化是大势所趋 / 181 
8.3.1 仿真智能化的内涵 / 181 
8.3.2 仿真智能化的探索与实践 / 182 
第9章 
数字孪生：谱写数字仿真新篇章 / 185 
9.1 数字孪生概述 / 186 
9.1.1 数字孪生概念与内涵 / 186 
9.1.2 数字孪生关键技术 / 187 
9.2 数字孪生典型案例 / 189 
9.2.1 抓料机：基于数字孪生的产品能耗优化 / 189 
9.2.2 混凝土搅拌站：基于数字孪生的智慧园区 / 191 
9.2.3 光伏装备：基于数字孪生的组件智能工厂 / 193 
9.2.4 综采设备：基于数字孪生的综采智能作业 / 195 
9.2.5 正面吊：基于 AR/VR 的虚拟培训 / 197 
9.3 工业数字孪生向工业元宇宙演进 / 198 
9.3.1 工业元宇宙概念与内涵 / 199 
9.3.2 工业元宇宙带来的变革 / 200 
彩 插 / 203

展开

前言

前言
“推动三一仿真能力行业领先，达到世界先进水平”，这是三一集团创始人梁稳根先生在我入职三一时，对我提出的殷切期望。我时常铭记于心，并将其作为一切工作的初心，不敢违背。2020 年 12 月，三一成立了数字孪生研究院，负责全集团仿真能力统筹与能力提升路径规划、共性重点 / 难点仿真技术攻关与应用推广、仿真人才培养与能力共建等工作，标志着三一仿真能力建设迈入了快车道。 
近年来，三一陆续荣获了“中国仿真技术应用大会仿真技术创新优秀案例奖”“中国仿真技术应用大会优秀仿真技术解决方案奖”“中国数字仿真论坛数字仿真科技杰出贡献奖”“数字孪生国际会议数字孪生创新应用奖”“中国 CAE 工程分析技术年会优秀论文一等奖”“工信部 2024 年全国仿真创新应用大赛一等奖”等多项荣誉，参与编制了 IEEE P3144《工业数字孪生成熟度模型和评价方法》《数字孪生模型评估规范》《制造业数字化仿真 分类》《机电液控联合仿真技术要求》等10 余个国际、国家和团体标准。 
从 2002 年到 2020 年，我在中国航空工业集团工作了 18 年，亲身经历了飞机装备从跟踪仿制、并驾齐驱到创新超越的跨越式发展历程。在这个过程中，系统工程方法以及数字化建模与仿真技术发挥了不可替代的使能作用。中国航空工业集团引入了国际系统工程协会基于模型的系统工程知识体系，累计培养了数百名与国际接轨的系统工程领军人才，建立了覆盖整机、系统、零部件开发全流程数字化建模与仿真体系。我作为中国较早一批通过了国际系统工程师认证和国际架构师认证的专业人员，有幸参与了 10 余种型号飞机的数字化研制工作，对数字化建模与仿真相关流程、方法与工具有了深刻认知。2018 年，由我作为主创人的“大型航空企业基于数字系统工程的正向创新型研发体系建设”项目荣获了第二十五届全国企业管理现代化创新成果一等奖，我本人也荣获了中国航空工业集团数字化杰出贡献奖。 
三一非常重视产品创新，将产品创新作为事业发展的第一动力，而数字仿真技术是产品创新的重要驱动引擎。在三一，无论是混凝土机械、挖掘机械、起重机械、筑路机械、桩工机械、港口机械、石油装备、煤炭装备、商用车、装配式建筑 PC（预制混凝土）机械，还是风电装备、锂电装备、氢能装备、光伏装备，均可以利用数字仿真技术优化产品设计、提升产品核心竞争力（如结构件可靠性、驾驶室舒适性、整车平顺性、动力经济性、环境适应性、电磁兼容性等），打造 
高可靠、长寿命、低能耗的高质量产品。三一通过持续提升仿真方法成熟度，逐步减少并替代物理试验，缩短物理验证周期，降低研发成本。为了更好地帮助读者理解数字仿真技术的应用价值，本书“技术篇”从结构仿真、振动噪声仿真、多体动力学仿真、流体仿真、系统仿真和电磁兼容仿真六大学科入手，结合三一数字仿真最佳实践，为读者提供了丰富的参考案例。 
数字仿真能力建设是一个长期、持续的过程，需要体系保障。本书对三一数字仿真体系进行了简要介绍。在三一，我们将仿真要真（应准尽准）、仿真要快（应快尽快）、仿真要全（应仿尽仿）三个核心要素作为仿真能力建设的重要抓手。在我看来，仿真的第一要务是“真”，如果仿真做不到“真”，那么仿真对设计的指导意义就会大打折扣，更谈不上替代物理试验。仿真要快，对于研发效率提升至关重要。工程装备具有品种多、批量小、设计周期短、产品迭代速度快的特点，如果仿真不够快，就无法满足产品设计周期要求，更做不到应仿尽仿。影响仿真效率的主要因素是仿真前后处理效率和仿真计算效率。目前，仿真前后处理效率，尤其是仿真前处理效率是影响三一各单位仿真效率提升的主要因素。近年来，三一自主研发了多个领域专用的仿真自动化工具，极大地提升了仿真效率（本书第 8 章做了详细阐述）。在仿真要真和仿真要快的基础上，我们努力实现应仿尽仿。应仿尽仿是实现产品过程质量保证的重要手段，贯穿产品定义、方案设计及详细设计，覆盖整机、系统及零部件。我们持续开展产品各项关键性能的数字仿真验证，确保 
交付满足客户使用需求的高质量产品。在三一，质量是唯一不能妥协的事情。云计算、大数据、人工智能、AR/VR 等先进技术的逐步成熟和深入应用推动着数字仿真向数字孪生、工业元宇宙的方向加速演进，使数字仿真自动化与智能化程度得到了进一步提高。随着建模与仿真技术贯穿产品定义、设计、制造、试验、交付、运维全生命周期，传统的装备研制范式也将发生革命性变化。未来将在数字空间由计算机强大的计算能力和人工智能加持的产品概念原型生成能力快速完 
XII成产品定义、方案设计与迭代优化，再由智能制造技术一次制造成功。本书“创新篇”对仿真自动化、仿真智能化、数字孪生、工业元宇宙等进行了阐述和畅想，供读者参阅。 
非常感谢我的主管领导。三一集团轮值董事长向文波先生在工作上给予了我足够的指导、信任、鼓励与包容，让我有机会将数字样机、数字仿真与数字孪生相关技术充分应用到三一产品研发实践中，躬身入局，与全体三一人一起为中国贡献一个“世界级品牌”。 
非常感谢我的导师。清华大学原副校长郑力教授以及清华大学工业工程系党委书记李乐飞副教授对我博士期间学业的指导，尤其是让我系统性地学习并掌握了系统工程与数字孪生理论、方法与关键技术。 
在本书编写过程中，我得到了三一集团徐鹏、王新峰、贾海庆、白晨光、王纯、李飞、闻蕴、陈韬艺等同事的大力支持，一并表示衷心感谢。 
由于时间仓促，书中难免有阐述不妥之处，敬请读者批评指正！ 
编 者 
2025 年 1 月 8 日

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作者简介

郄永军三一集团副总经理、数字孪生研究院院长，仿真与数字孪生委员会主任，研究员，清华大学创新领军工程博士，美国匹兹堡大学访问学者，清华大学与北京航空航天大学兼职讲师，中企联智慧企业推进委员会副秘书长，中国工业合作协会副理事长兼仿真技术产业分会副会长，中国数字仿真论坛副主席，全国两化融合标委会制造业数字化仿真管理标准工作组成员，原航空工业信息化专家组和系统工程专家组成员，航空工业 CAD/CAE/PLM（计算机辅助设计 / 计算机辅助工程 / 产品生命周期管理）一级技术专家，先后任职于航空工业信息技术中心和阿里巴巴集团，拥有国际系统工程协会（INCOSE）系统工程师认证和 The Open Group TOGAF 企业架构师认证。在基于模型的系统工程（MBSE）、数字设计、数字仿真、数字孪生等先进数字技术领域拥有丰富的咨询、培训与工程实践经验，担任过工信部、科技部、中央军委装备发展部多个科研项目负责人，作为主创人之一的“大型航空企业基于数字系统工程的正向创新型研发体系建设”项目荣获第二十五届全国企业管理现代化创新成果一等奖，在基于模型的系统工程、数字仿真与数字孪生领域发表论文 20 余篇，参与编制了《制造业数字化仿真分类》《数字孪生模型评估规范》等 10 余个国际、国家和团体标准，荣获航空工业信息化突出贡献者奖、航空工业科学技术奖、2024 数字仿真科技奖“杰出贡献奖”、三一集团“三一人物”奖等奖项。

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