إنها كهربائية: التوائم الرقمية القائمة على الفيزياء تُعزز الثورة الخضراء في قطاع البناء

الاحتراق الداخلي أو الكهربائي؟

على الرغم من أن محرك الاحتراق الداخلي الذي يعمل بالديزل لا يزال المصدر الأنسب للطاقة للآلات الكبيرة، إلا أن مصنعي المعدات الأصلية يتجهون بشكل متزايد نحو أنظمة الدفع الهجينة والكهربائية لمواصلة خفض الانبعاثات واستهلاك الوقود، فضلاً عن توفير أداء مُحسّن. وفي مؤشر باوما الصناعي ، ذكرت شركة ميسي ميونخ أن 32% من المشاركين في الاستطلاع اعتبروا "البحث في الآلات والمركبات ذات أنظمة الدفع الكهربائية" الأكثر أهمية لمستقبل أعمالهم.

تُعد تكلفة الوقود أحد العوامل الرئيسية المؤثرة على التكلفة الإجمالية للملكية (TCO)، ولذلك فإن استخدام محرك كهربائي كمصدر طاقة وحيد أو ثانوي لتشغيل آلة أو للمساعدة في أداء وظيفتها الرئيسية يمكن أن يؤثر بشكل كبير على تكلفة تشغيلها. ومن الطرق الفعالة التي يستخدمها مصنعو المعدات الأصلية (OEMs) في تطبيق الكهربة التهجين التسلسلي، حيث تعمل محطة توليد الطاقة في الآلة بشكل مستقل، منتجةً الطاقة الكهربائية بكفاءة لبطاريات الآلة أو مباشرةً لخطوط نقل الحركة. ولا تتأثر محطة توليد الطاقة بتقلبات أحمال خطوط نقل الحركة هذه.

وهذا يتيح استخدامًا عالي الكفاءة لمحرك الديزل الذي يشغل الآلة، مما يحقق توفيرًا يصل إلى 50٪ في استهلاك الوقود دون آثار سلبية على أداء الآلة.

ليس مجرد نظام نقل حركة جديد، بل تصميم جديد

ومع ذلك، يُعد دمج أنظمة وخطوط نقل الحركة الكهربائية أو الهجينة بالكامل نقلة نوعية في مسار التطوير التطوري المُتبع حتى الآن في هذه الصناعة، وقد يتطلب إعادة تصميم جذرية للآلة. يتطلب الأمر تصميم طوبولوجيات جديدة لخطوط نقل الحركة، وتحديد أبعاد مجموعات البطاريات والمحركات الكهربائية وإلكترونيات الطاقة ودمجها، بالإضافة إلى إجراء تغييرات جوهرية على أنظمة البرمجيات والتحكم لتشغيل الآلة. في عمليات البحث والتطوير التقليدية، يتطلب حجم هذه التغييرات إنشاء عدة جولات من النماذج الأولية المادية لفهم خصائص ووظائف النظام ككل واختبارها. وحتى في هذه الحالة، فإن تنسيق المكونات الميكانيكية والإلكترونية والبرمجية للعمل بسلاسة يُعد عملية متكررة تُشكل خطرًا كبيرًا بتأخير المشروع.

تصميم الآلات الكهربائية والهجينة باستخدام التوائم الرقمية

هنا يبرز دور التوأم الرقمي القائم على الفيزياء. فمن خلال تطبيق النماذج الأولية الافتراضية الواقعية ، يمكن استخدام نموذج محاكاة افتراضي متعدد الأجسام للآلة والبيئة وعملية العمل لتحديد أبعاد واختبار مفاهيم التهجين المختلفة في الوقت الفعلي، وتطوير نظام نقل الحركة إلى حالة متقدمة قبل الحاجة إلى نماذج أولية مادية.

وبما أن النموذج الأولي الافتراضي للآلة يعكس سلوك نظيره في الحياة الواقعية بدقة، فإنه يمكنه التفاعل مع مجموعة واسعة من الأنظمة وأصحاب المصلحة أثناء مراحل تصميم المنتج.

تُنتج عملية البحث والتطوير المرتكزة على التوأم الرقمي نموذجًا عالي الدقة للآلة الجديدة، وعملية التشغيل، وبيئتها. وهذا يُمكّن فريق التصميم من اختبار الأنظمة الفرعية المختلفة وتفاعلها مع الآلة الافتراضية في الوقت الفعلي. وبما أن التوأم الرقمي متصل بنظام التحكم الحقيقي، يُمكن تطبيق التغييرات على البرمجيات وآليات التحكم واختبارها بالتوازي، مما يزيد الدقة، ويقلل الأخطاء، ويوفر وقتًا ثمينًا في العملية. على سبيل المثال، يُمكن تجربة تغييرات المعلمات واختبارها، وتصحيحها فورًا عند الحاجة.

يُمكن الاطلاع في الشكل أدناه على مثال واقعي لمقارنة استهلاك الوقود بين جرافة تعمل بالديزل بالكامل وأخرى هجينة، وذلك باستخدام تقنية التوأم الرقمي. فعلى مدار ست دورات لنقل الصخور في بيئة منجم مُحاكاة، استهلكت الجرافة الهجينة نصف كمية وقود الديزل تقريبًا مقارنةً بالجرافة التي تعمل بالديزل بالكامل، مع بقاء دورات التحميل كما هي من حيث الوقت المستغرق والمسار المتبع والحمولة المنقولة. وقد تم التوصل إلى نتائج مماثلة عند دمج أنظمة هجينة متسلسلة لمعدات البناء في الواقع، مما يؤكد دقة نتائج محاكاة التوأم الرقمي القائمة على الفيزياء.

خاتمة

يتطلب تحويل معدات البناء إلى الكهرباء أو التهجين نقلة نوعية في عمليات تطوير منتجات الشركات المصنعة للمعدات الأصلية . وبفضل خصائصه المتمثلة في محاكاة الآلة وبيئتها وعملية عملها في الوقت الفعلي، يعمل التوأم الرقمي القائم على الفيزياء كتمثيل دقيق لنظيره الواقعي، مما يربط بسلاسة بين العالمين الافتراضي والمادي. إن وضع التوأم الرقمي القائم على الفيزياء في صميم عملية البحث والتطوير يُعدّ وسيلة فعّالة لتقليل مدة التطوير، ورفع جودة البرمجيات، وتسريع وتيرة الابتكار اللازمة لتطوير الجيل القادم من الآلات الكهربائية.

تنزيل الكتاب الإلكتروني: التوأم الرقمي في قلب البحث والتطوير