Digital Twin Driven Smart Design

کتاب «طراحی هوشمند مبتنی بر دوقلوی دیجیتال» (Digital Twin Driven Smart Design) که توسط انتشارات آکادمیک پرس (Academic Press) منتشر شده است، یکی از پیشگامانه‌ترین آثار در حوزهٔ کاربرد فناوری دوقلوی دیجیتال در فرایند طراحی محصول به شمار می‌رود. این کتاب که حاصل پژوهش‌های پیشروان این عرصه است، نشان می‌دهد که چگونه دوقلوی دیجیتال می‌تواند انقلابی در روش‌های سنتی طراحی ایجاد کند و به مهندسان در خلق محصولاتی هوشمندتر، کارآمدتر و پایدارتر یاری رساند.

دربارهٔ کتاب — طراحی هوشمند مبتنی بر دوقلوی دیجیتال

موضوع محوری این کتاب، ارائهٔ چارچوبی نظام‌مند برای پیاده‌سازی فناوری دوقلوی دیجیتال در فرایند طراحی محصول است. دوقلوی دیجیتال، که در این کتاب به عنوان یک مفهوم پنج‌بعدی شامل نهاد فیزیکی، نهاد مجازی، داده‌های دوقلوی دیجیتال، سرویس‌ها و اتصالات تعریف شده است، بستری فراهم می‌آورد تا طراحان بتوانند پیش از ساخت فیزیکی محصول، عملکرد، رفتار و ویژگی‌های آن را در فضای مجازی شبیه‌سازی و بهینه‌سازی کنند. کتاب با مرور نظریه‌ها و روش‌شناسی‌های طراحی سنتی آغاز می‌شود و سپس به بررسی فناوری‌های کلیدیِ پشتیبان دوقلوی دیجیتال می‌پردازد. نسخهٔ منتشرشده در سال ۲۰۲۰، با بهره‌گیری از آخرین دستاوردهای صنعت و پژوهش، به بررسی کاربرد دوقلوی دیجیتال در انواع مختلف فرایندهای طراحی از جمله طراحی عملکردمحور، طراحی ناب و طراحی سبز می‌پردازد. ساختار کتاب به دو بخش اصلی تقسیم شده است: بخش نخست به مبانی نظری و روش‌شناسی اختصاص دارد و فصل‌هایی چون چارچوب طراحی هوشمند محصول، طراحی مفهومی مبتنی بر دوقلوی دیجیتال، تأیید مجازی، ارزیابی طراحی و طراحی سبز آگاه از مصرف انرژی را در بر می‌گیرد. بخش دوم بر کاربردها و مطالعه‌های موردی متمرکز است و مباحثی مانند طراحی کارخانه، ارزیابی طراحی فرایند و راه‌اندازی مجازی پروژه‌های طراحی را پوشش می‌دهد. مطالعه‌های موردی پیشرفته در سراسر کتاب، درک مفاهیم انتزاعی را برای خواننده ملموس می‌سازد و نشان می‌دهد که چگونه این فناوری در عمل به کار گرفته می‌شود.

دربارهٔ نویسنده

این کتاب به سرپرستی چهار تن از برجسته‌ترین پژوهشگران حوزهٔ دوقلوی دیجیتال و ساخت هوشمند گردآوری شده است. فی تائو (Fei Tao)، استاد دانشکدهٔ علوم خودکار و مهندسی برق دانشگاه بیهانگ پکن، از چهره‌های شاخص در حوزهٔ ساخت هوشمند و به‌کارگیری دوقلوی دیجیتال در طراحی، تولید و سرویس محصولات است. آنگ لیو (Ang Liu)، یکی از پژوهشگران برجسته در زمینهٔ تفکر طراحی نوآورانه، روش‌شناسی طراحی و ساخت هوشمند است و به عنوان پژوهشگر وابسته به آکادمی بین‌المللی مهندسی تولید (CIRP) فعالیت دارد. تیان‌لیانگ هو (Tianliang Hu) نیز پژوهشگر حوزهٔ مدلسازی ماشین‌ابزار، دوقلوی دیجیتال و اینترنت صنعتی اشیاء است. ای. وای. سی. نی (A.Y.C. Nee)، استاد بازنشستهٔ مهندسی ساخت در دانشگاه ملی سنگاپور، از پیشگامان کاربرد هوش مصنوعی، واقعیت مجازی و افزوده در ساخت، و طراحی محصول پایدار است و عضو افتخاری آکادمی بین‌المللی مهندسی تولید (CIRP) محسوب می‌شود. این تیم از پژوهشگران برجسته که در برگزاری همایش‌های بین‌المللی دوقلوی دیجیتال نیز نقش کلیدی دارند، اعتبار علمی کتاب را تضمین می‌کنند.

چرا باید «طراحی هوشمند مبتنی بر دوقلوی دیجیتال» را بخوانید؟

**چارچوبی جامع و کاربردی: این کتاب با ارائهٔ یک چارچوب کامل از مبانی نظری تا پیاده‌سازی عملی، مسیر روشنی برای مهندسان جهت گنجاندن دوقلوی دیجیتال در فرایند طراحی محصول ترسیم می‌کند. **مطالعه‌های موردی پیشرو: استفاده از مطالعه‌های موردی برگرفته از آخرین دستاوردهای صنعت، نشان می‌دهد که چگونه دوقلوی دیجیتال در عمل به بهبود طراحی کمک می‌کند و مفاهیم را برای خواننده ملموس می‌سازد. **پوشش رویکردهای متنوع طراحی: کتاب فراتر از طراحی معمول، کاربرد دوقلوی دیجیتال را در رویکردهای نوین مانند طراحی ناب (Lean Design)، طراحی سبز (Green Design) و طراحی مبتنی بر حل مسئله (TRIZ) بررسی می‌کند. **معرفی مفاهیم نوآورانه: مباحثی چون راه‌اندازی مجازی (Virtual Commissioning) پروژه‌های طراحی و استفاده از دوقلوی دیجیتال در طراحی کارخانه، از جمله مفاهیم پیشگامانه‌ای هستند که در این کتاب بدان‌ها پرداخته شده است. **نوشته‌شده توسط متخصصان تراز اول: گردآوری کتاب توسط جمعی از برجسته‌ترین محققان این حوزه، از جمله فی تائو و ای. وای. سی. نی، اعتبار و دقت علمی آن را تضمین می‌کند.

این کتاب برای چه کسانی مناسب است؟

این کتاب برای طیف گسترده‌ای از مهندسان، پژوهشگران و دانشجویان تحصیلات تکمیلی که در حوزه‌های ساخت دیجیتال، طراحی به‌کمک رایانه، ساخت هوشمند و انقلاب صنعتی چهارم فعالیت می‌کنند، منبعی ارزشمند و ضروری محسوب می‌شود. همچنین مدیران صنعتی و تصمیم‌گیرندگانی که به‌دنبال درک چگونگی بهره‌گیری از فناوری دوقلوی دیجیتال برای بهبود فرایندهای طراحی و توسعهٔ محصول در سازمان خود هستند، مخاطبان اصلی این کتاب را تشکیل می‌دهند. با وجود اینکه مفاهیم کتاب پیشرفته است، ساختار گام‌به‌گام و مطالعه‌های موردی آن، درک مطالب را برای علاقه‌مندانی که با مبانی طراحی محصول آشنا هستند، تسهیل می‌کند.

سوالات متداول

آیا این کتاب برای مهندس طراح صنعتی که با مفهوم دوقلوی دیجیتال آشنایی ندارد، مناسب است؟

بله، کتاب با ارائهٔ مبانی نظری و مفاهیم بنیادین دوقلوی دیجیتال در فصل‌های ابتدایی آغاز می‌شود و سپس به سراغ مباحث پیشرفته‌تر می‌رود. بنابراین برای افرادی که تازه‌کار هستند نیز قابل استفاده است و آن‌ها را گام‌به‌گام با این فناوری آشنا می‌کند.

آیا تمرکز کتاب صرفاً بر مباحث تئوری است یا کاربردهای عملی را نیز پوشش می‌دهد؟

این کتاب ترکیبی متعادل از مبانی نظری و کاربردهای عملی است. بخش دوم کتاب به مطالعه‌های موردی و کاربردهای واقعی اختصاص دارد که نشان می‌دهد چگونه دوقلوی دیجیتال در پروژه‌های صنعتی مانند طراحی کارخانه و ارزیابی فرایند پیاده‌سازی شده است.

آیا این کتاب به فناوری‌های خاصی مانند نرم‌افزارهای شبیه‌سازی محدود شده است؟

خیر، رویکرد کتاب فراتر از معرفی نرم‌افزارهای خاص است و بر ارائهٔ یک چارچوب مفهومی و روش‌شناسی کلی متمرکز است که می‌تواند با ابزارهای مختلف پیاده‌سازی شود. با این حال، درک فناوری‌های کلیدی پشتیبان و معماری دوقلوی دیجیتال، به انتخاب و استفادهٔ بهتر از ابزارها کمک می‌کند.

Digital Twin Driven Smart Design draws on the latest industry practice and research to establish a basis for the implementation of digital twin technology in product design. Coverage of relevant design theory and methodology is followed by detailed discussions of key enabling technologies that are supported by cutting-edge case studies of implementation. This groundbreaking book explores how digital twin technology can bring improvements to different kinds of product design process, including functional, lean and green. Drawing on the work of researchers at the forefront of this technology, this book is the ideal guide for anyone interested in digital manufacturing or computer-aided design. Provides detailed case studies that explore key applications of digital twin technology in design practice Introduces the concept of using digital twins to create the virtual commissioning of design projects Presents a framework to help engineers incorporate digital twins into their product design process Cover Digital Twin Driven Smart Design Copyright Contents List of contributors Preface Part 1: Theory and methodology 1 Digital twin driven smart product design framework 1.1 Introduction 1.2 Development of product design and prospect forecast 1.2.1 Traditional design methods and technologies 1.2.2 New era of data-driven product design 1.2.3 Call for digital twin driven smart product design framework 1.3 Digital twin and its applications 1.3.1 History of digital twin 1.3.2 Concept of digital twin 1.3.3 Applications of digital twin 1.4 Five-dimension digital twin for a product 1.4.1 Physical entity 1.4.2 Virtual entity 1.4.3 Digital twin data 1.4.4 Services 1.4.5 Connections 1.5 Framework of digital twin driven smart product design 1.5.1 Key processes of digital twin driven smart product design 1.5.1.1 Digital twin driven task clarification 1.5.1.2 Digital twin driven conceptual design 1.5.1.3 Digital twin driven virtual verification 1.5.2 Related technologies for digital twin driven smart product design 1.5.2.1 Digital twin driven TRIZ 1.5.2.2 Digital twin driven virtual prototyping 1.5.2.3 Digital twin driven product design evaluation 1.5.2.4 Digital twin driven virtual commissioning 1.5.2.5 Digital twin driven green design 1.5.2.6 Digital twin driven lean design 1.5.2.7 Digital twin driven factory design 1.5.2.8 Digital twin driven process design 1.6 Case study 1.6.1 Digital twin driven smart product design application in bicycle 1.6.2 Digital twin driven smart product design application in landing gear 1.7 Summary References 2 Digital twin driven conceptual design 2.1 Introduction 2.2 Conceptual design methodology foundation of digital twins 2.2.1 General design theory 2.2.2 Axiomatic design theory 2.2.3 Systematic design process 2.2.4 Function–behavior–structure ontology 2.3 Digital twin based conceptual design 2.3.1 Digital twin based function modeling 2.3.2 Digital twin based concept generation 2.3.3 Digital twin based concept evaluation 2.3.4 Digital twin based contradiction resolution 2.3.5 Digital twin based constraint management 2.3.6 Digital twin based complexity management 2.3.7 Collaborative conceptual design 2.3.8 Digital twin based design affordance 2.4 Case study 2.4.1 Digital twin based robot vacuum cleaner functional domain formulation 2.4.2 Digital twin based robot vacuum cleaner concept generation 2.4.2.1 Step 1: digital twin assisted design parameter generation 2.4.2.2 Step 2: digital twin assisted design parameters integration 2.4.2.3 Step 3: digital twin assisted conceptual evaluation 2.4.2.4 Step 4: review and redesign 2.4.3 Digital twin based robot vacuum cleaner constraints management 2.4.4 Digital twin based robot vacuum cleaner contradiction solving 2.5 Summary References 3 Conceptual design driven digital twin configuration 3.1 Introduction 3.2 Development of physical entity 3.3 Development of virtual entity 3.4 Development of twin data center 3.5 Development of services 3.6 Development of connections 3.7 Integration of digital twin compositions and working management 3.7.1 Management with working mode 3.7.2 Management with working sequence 3.7.3 Management with power output ratio 3.8 Case study 3.8.1 Step 1: development of autonomous vehicle physical entity 3.8.2 Step 2: development of autonomous vehicle virtual entity 3.8.3 Step 3: development of autonomous vehicle twin data center 3.8.4 Step 4: development of autonomous vehicle services 3.8.5 Step 5: development of autonomous vehicle connection system 3.8.6 Step 6: development of autonomous vehicle working modes, sequences, and output ratio 3.9 Summary References 4 Digital twin driven virtual verification 4.1 Introduction 4.2 Related works 4.2.1 Related works on traditional product design verification 4.2.1.1 Virtual verification 4.2.1.2 Physical verification 4.2.2 Related works on digital twin driven virtual verification 4.3 Digital twin driven virtual verification method 4.3.1 A model of digital twin driven virtual verification 4.3.1.1 Product design—digital twin—product design 4.3.1.2 Product design—digital twin—manufacturing 4.3.1.3 Product design—digital twin—usage 4.3.1.4 Product design—digital twin—maintenance 4.3.1.5 Product design—digital twin—end-of-life 4.3.2 Iterative framework of digital twin driven virtual verification 4.4 Case study I: digital twin driven virtual verification in design for a commercial coffee machine 4.4.1 Case study background 4.4.2 Working principle of commercial coffee machine 4.4.3 Factors impacting coffee quality 4.4.4 Group gaskets of coffee machine 4.4.5 Collection of key controlling data of commercial coffee machine 4.4.5.1 Temperature of extraction and boiler 4.4.5.2 Pressure of extraction and boiler 4.4.5.3 Flow rate of water 4.4.6 Digital twindriven virtual verification application 4.4.6.1 Cause analysis 4.4.6.2 Potential solutions 4.4.6.3 Addition of a night mode in product design 4.4.6.4 Iteration of digital twin driven virtual verification process 4.5 Case study II: digital twin driven virtual verification in design for 3D printers 4.5.1 Background of 3D printing 4.5.2 Virtual verification of 3D printer design 4.5.3 Virtual verification of 3D printer design, manufacturing, and usage 4.5.4 Virtual verification of 3D printer maintenance and end-of-life 4.6 Summary References 5 Digital twin driven design evaluation 5.1 Introduction 5.2 Related works 5.2.1 Existing product design evaluation methods 5.2.2 Digital twin driven product design methods 5.3 Digital twin driven product design evaluation methodology 5.3.1 Digital twin driven product design evaluation framework 5.3.2 Digital twin driven product design evaluation workflow WARNING!!! DUMMY ENTRY Step 1: Product structure decomposition Step 2: Evaluation indexes analysis Step 3: Complex network building Mapping network Prediction network Feedback network Step 4: Complex network training Step 5: Consistency judgment Step 6: Perceived evaluation 5.4 Digital twin driven product design evaluation algorithm design 5.5 Case study: Digital twin driven roll granulator design evaluation 5.5.1 Background 5.5.2 Working principle of roll granulator 5.5.3 Evaluation indicators analysis 5.5.4 Digital twin driven roll granulator design evaluation 5.6 Summary References 6 Digital twin driven energy-aware green design 6.1 Introduction 6.1.1 Iterative optimization of energy consumption 6.1.2 Energy consumption digital thread 6.1.3 Product life cycle 6.2 Related works 6.2.1 Green design in material selection 6.2.2 Green design in disassembly 6.2.3 Green design in supply chain 6.3 Energy-aware five-dimension digital twin 6.4 Potential applications of digital twin driven green design 6.4.1 Digital twin driven energy-aware green design in material selection 6.4.1.1 Integrated energy consumption digital thread for digital twin driven energy-aware green design in material selection 6.4.1.2 Iterative optimization of energy consumption 6.4.2 Digital twin driven energy-aware green design in disassembly 6.4.2.1 Continuously optimization of disassembly sequence 6.4.2.2 Disassembly feasibility improvement based on digital twin 6.4.3 Digital twin driven energy-aware green design in supply chain 6.4.3.1 Enhanced energy consumption prediction of green supply chain based on digital thread 6.4.3.2 Rapid construction of green supply chain 6.5 Summary References 7 Digital twin enhanced Theory of Inventive Problem Solving innovative design 7.1 Theory of Inventive Problem Solving–based innovative design 7.1.1 History and applications of Theory of Inventive Problem Solving 7.1.2 Theory of Inventive Problem Solving–based innovative design 7.1.3 Digital twin enhanced Theory of Inventive Problem Solving innovation process 7.2 Digital twin enhanced strategic analysis of Theory of Inventive Problem Solving innovative design process 7.2.1 Digital twin enhanced demand evolution analysis 7.2.2 Digital twin enhanced technology evolution analysis 7.2.3 Digital twin enhanced technology maturity evaluation 7.3 Digital twin enhanced problem statement of Theory of Inventive Problem Solving innovative design process 7.3.1 Digital twin enhanced 9-box method 7.3.2 Digital twin enhanced resource analysis 7.3.3 Digital twin enhanced ideal final result analysis 7.4 Digital twin enhanced problem analysis of Theory of Inventive Problem Solving innovative design process 7.4.1 Digital twin enhanced function model analysis 7.4.2 Digital twin enhanced root cause analysis 7.4.3 Digital twin enhanced contradiction analysis 7.5 Summary References Part 2: Application and case study 8 Digital twin driven factory design 8.1 Introduction 8.2 Related works 8.3 Digital twin driven factory design 8.3.1 Framework for digital twin driven factory design 8.3.2 Functions of digital twin in different stages 8.3.3 Modular approach for building flexible digital twin toward factory design 8.4 Case study 8.4.1 Digital twin driven factory design of a paper cup factory 8.4.2 Digital twin driven factory design of a nylon factory 8.4.3 Discussion 8.5 Summary References 9 Digital twin based computerized numerical control machine tool virtual prototype design 9.1 Introduction 9.2 Related works 9.2.1 Related works on virtual prototype design 9.2.2 Advantages of digital twin based computerized numerical control machine tool virtual prototype 9.3 Framework of digital twin based computerized numerical control machine tool virtual prototype 9.3.1 Functional requirements 9.3.2 Framework of digital twin based computerized numerical control machine tool virtual prototype 9.4 Design of DT-based CNCMT virtual prototype descriptive model 9.4.1 Composition analysis of computerized numerical control machine tools 9.4.2 Mechanical subsystem modeling of computerized numerical control machine tools 9.4.3 Electrical subsystem modeling of computerized numerical control machine tools 9.4.3.1 Implementation of permanent magnet synchronous motor model 9.4.3.2 Implementation of inverter driver model 9.4.3.3 Implementation of sensor and limit switch model 9.4.3.4 Implementation of control module 9.4.4 Coupling relationship between subsystems of computerized numerical control machine tools 9.5 Design of DT-based CNCMT virtual prototype updating strategy 9.5.1 Design of mapping strategy 9.5.2 Design of consistency maintenance strategy 9.6 Case study 9.6.1 Case 1: Design stage 9.6.2 Case 2: Operation stage 9.6.3 Case 3: Maintenance stage 9.7 Summary Acknowledgment References 10 Digital twin driven lean design for computerized numerical control machine tools 10.1 Introduction 10.2 Related works 10.2.1 Related works on lean design methods 10.2.2 Related works on digital twin driven design methods 10.3 Framework of digital twin driven lean design 10.3.1 Digital twin driven lean design in digital space 10.3.2 Digital twin driven lean design in physical space 10.4 Design of workload–digital twin model 10.4.1 Analysis of workload 10.4.2 Construction of workload–digital twin model 10.5 Application of workload data 10.5.1 Workload data generation 10.5.1.1 Data preprocessing 10.5.1.2 Data analysis 10.5.1.3 Data storage 10.5.2 Workload data selection 10.5.2.1 Analysis of target performance indicators of computerized numerical control machine tools 10.5.2.2 Analysis of required workload data of computerized numerical control machine tools lean design 10.5.3 Workload–digital twin model instantiation 10.6 Optimization and evaluation for computerized numerical control machine tools 10.6.1 Optimization for computerized numerical control machine tools 10.6.2 Evaluation for computerized numerical control machine tools 10.7 Case study 10.7.1 Problem description 10.7.2 Digital twin driven lean design for the feed system of computerized numerical control machine tools 10.7.3 Results and discussion 10.8 Summary Acknowledgment References 11 Digital twin based virtual commissioning for computerized numerical control machine tools 11.1 Introduction 11.2 Related works 11.2.1 Traditional virtual commissioning 11.2.2 Digital twin based virtual commissioning 11.3 Framework of digital twin based virtual commissioning for computerized numerical control machine tools 11.4 Workflow of digital twin based virtual commissioning for computerized numerical control machine tools 11.4.1 Step 1: Keeping virtual and physical computerized numerical control machine tools consistent 11.4.2 Step 2: Dynamic commissioning 11.4.3 Step 3: Kinematic commissioning 11.5 Case study 11.5.1 Construction of platform for digital twin based virtual commissioning 11.5.2 Dynamic commissioning of computerized numerical control machine tools 11.5.3 Kinematic commissioning of computerized numerical control machine tools 11.5.4 Discussion 11.6 Summary Acknowledgment References 12 Digital twin driven process design evaluation 12.1 Introduction 12.2 Related works 12.2.1 Process design 12.2.2 Process design evaluation 12.2.3 Digital twin driven process design evaluation 12.2.3.1 Real-time data acquisition 12.2.3.2 Data fusion 12.2.3.3 Digital twin data–driven process evaluation 12.3 Framework for digital twin driven process design evaluation 12.3.1 Process design layer 12.3.2 Data fusion layer 12.3.3 Process evaluation layer 12.4 Reconfigurable process plan creation 12.4.1 3D process models creation 12.4.2 Process information management 12.4.3 Digital twin based process models construction 12.5 Digital twin data generation 12.5.1 Real-time data acquisition 12.5.2 Digital twin data management 12.6 Process plan evaluation based on digital twin data 12.6.1 Process design evaluation framework 12.6.2 Process plan evaluation method 12.7 Case study 12.7.1 Diesel engine connecting rod model description 12.7.2 Real-time data collection and management 12.7.3 Verification of process design evaluation method 12.7.4 Discussion 12.8 Summary References Index Back Cover __Digital Twin Driven Smart Design__ draws on the latest industry practice and research to establish a basis for the implementation of digital twin technology in product design. Coverage of relevant design theory and methodology is followed by detailed discussions of key enabling technologies that are supported by cutting-edge case studies of implementation. This groundbreaking book explores how digital twin technology can bring improvements to different kinds of product design process, including functional, lean and green. Drawing on the work of researchers at the forefront of this technology, this book is the ideal guide for anyone interested in digital manufacturing or computer-aided design.