【摘 要】
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深部地层原位保真取心设备的成功研制是探索深部原位岩石力学规律,构建深部岩石力学理论的基础,是我国“四深一纵”科技战略的先导。深部岩层原位保真取心设备设计属于典型的复杂产品设计,其设计周期长、设计过程复杂,设计需求准确获取难,样机验证实验环境要求高、涉及多学科交叉、耦合等一系列设计与工程难题,使深部装备等复杂产品的设计和开发面对前所未有的挑战。近年来随着互联网和5G通讯技术的快速发展,智能制造与数字
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深部地层原位保真取心设备的成功研制是探索深部原位岩石力学规律,构建深部岩石力学理论的基础,是我国“四深一纵”科技战略的先导。深部岩层原位保真取心设备设计属于典型的复杂产品设计,其设计周期长、设计过程复杂,设计需求准确获取难,样机验证实验环境要求高、涉及多学科交叉、耦合等一系列设计与工程难题,使深部装备等复杂产品的设计和开发面对前所未有的挑战。近年来随着互联网和5G通讯技术的快速发展,智能制造与数字化设计在制造业中的应用屡见不鲜,制造业的生产模式正在向智能化转变。数字孪生技术作为现代互联网的产物,其具备高保真可视化模型设计和实验数据实时采集与传输功能。结合仿真应用平台,有助于构建物理实验平台与孪生模型的虚拟链接,形成实时数据与虚拟环境的交互应用,实现复杂产品创新设计的虚拟验证和可视化展示,加速复杂产品设计过程的有效迭代和增强对用户的设计表达。本文结合创新设计方法与数字孪生技术,在产品概念方案设计初期,运用创新设计方法、理论和工具辅助设计者快速形成概念设计方案,并搭建对应的物理预研实验平台,开展实验进行关键数据的采集和处理;根据实时采集的数据形成对应的动态响应可视化,将复杂产品的设计过程形象直观的对用户进行展示;同时将实验数据作为数字孪生体的边界条件,并将实验室难以实现的实验条件通过计算机进行模拟,将实验与模拟结果进行对比优化,系统性地指导产品进行设计迭代并为方案的进化过程形成数据与方法支撑。本文的主要研究内容为:（1）针对复杂产品设计的复杂性,结合创新设计方法与数字孪生技术,在产品设计过程中运用数字技术进行方案表现和技术验证,增加用户对设计方案的理解,实现设计方案的有效迭代。（2）以深部岩心原位保温系统概念方案设计为例,对深部原位保温系统进行需求获取和分析,根据深部原位环境下设备的使用约束,利用创新设计方法中的AD设计公理和FBS模型确定设计需求,再利用TRIZ求解得到保温系统的初步功能需求模型和系统总体概念设计结构。（3）搭建深部岩心原位保温方案物理预研实验平台。根据创新设计方法得到最佳的主动保温设计方案,并根据实际使用中的140MPa,150℃工作要求,设计并购置相应的实验仪器设备,在室内进行对应的预研实验,初步验证实验方案的可行性。（4）基于深部岩心原位保温系统物理预研方案构建对应的数字孪生模型。使用Lab VIEW图形化编程软件和ANSYS Workbench仿真软件以及NI-USB-6002数据采集卡为主要软硬件平台,根据主动保温功能需求,构建数字孪生体,结合实际采集的数据和数字模拟工况,形成用户-产品-设计师的虚拟沟通桥梁,并对设计方案形成辅助设计和方案进化指导。
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