面向数字孪生体生态系统的仿真

作者: Sameer Kher,ANSYS公司负责系统与数字孪生体业务的总监

为充分了解运行过程中的机器,需要将功能齐全的虚拟模型与来自机器的实际运行数据相连接;我们将这样的虚拟模型称为数字孪生体。对于创建数字孪生体的企业而言,仿真是一套具有巨大价值的工具,因为其可帮助企业准确地预测机器设备可能的性能水平以及在机器的整个使用寿命中各种变化将如何影响其性能。ANSYS可为实现数字孪生体提供整套工具,以交付能够为运营带来真正影响的准确、深刻和可靠的结果,从而增加产出、缩短停工时间和延长使用寿命。通过使用仿真了解现实世界中的产品行为,新一代产品不仅能显著提升性能,同时还可加快上市进程。

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DIGITALT WIN Ecosystem

“当在数字孪生体系统中进行整合时,工程仿真有助于企业分析并优化现实工作条件下的产品性能。”

成千上万台高价值机器在世界各地全力运行,用于发电、制造汽车、运送人员和货物、生产石油与天然气、供应清洁的水、处理个人消费者与企业的订单,以及从事众多其它极其重要的职能。大部分这些机器设备都使用物理仿真进行设计,能对结构、流体流动、电磁、热和其他物理属性进行优化。但是,随着机器设备的老化和改良,鲜有机器设备能保持在当初设计时所预计的条件下工作。直到最近,负责保持这些机器设备以最高效率运行的人员都还没有办法了解运行和环境变化给机器设备性能带来的影响。机器是否即将发生故障,并且停工可能导致每小时数万美元的损失?若机器设备在欠优化的条件下长期运行,是否会缩短其寿命?是否有机会通过改变其工作条件或升级其功能来提升机器的性能?

对于喷气式发动机等众多高价值机器而言,多年来企业一直都在使用传感器进行数据采集。但是,并非总是能实时采集这些数据,而且很难从海量数据中提取可付诸行动的深度信息。物联网(IoT)首次实现利用传感器即可从这些设备中采集数据,以了解并优化它们的性能。通过将它们的操作数据与其他关于机器运行方式的信息(如维护记录、PLM信息和仿真结果等)相结合,再加上分析及机器学习系统来构成一个生态系统,就能创建一个功能齐全的模型,即所谓的数字孪生体。使用数字孪生体,就能诊断各种涉及多重子系统和因素间相互作用的复杂问题。仿真对于数字孪生体而言具有至关重要的意义,因为它能够解答“如果我们更改这个会怎样?”、“那个发生的原因是什么?”以及“我们如何才能让设计更完善?”等问题。

Simulation-based digital twin
从综合的组件级设计与仿真一直到整个系统的仿真,ANSYS都能实现基于仿真的数字孪生体。

系统级支持

ANSYS Simplorer 系统级建模工具支持构建出数字孪生体,从而准确地描述组件、子装配体与子系统之间错综复杂的相互作用。工程师可根据需求对模型中子系统的保真度级别进行定义,范围从高级行为模型到基于物理场的详细仿真模型,一应俱全。系统级模型的子系统和组件通常由降阶模型组成,即3D物理场模型的紧凑表示形式,它不仅能准确地表达物理场,同时还能以更短的时间提供结果。

无处不在的工程仿真

Pervasive Engineering Simulation

基于物理场的仿真

使用基于物理场的模型能够细节入微地复制复杂机器的工作情况,这样即便是在面临前所未有的情况时也能全面了解它们的性能,从而实现数字孪生体的全部潜力。数字孪生体通常包含一个仿真模型,不仅可用于复制机器的工作情况,同时还能够分析基础物理场以预测机器的性能表现,从而诊断未曾预见的状况。其应包含一个研发用于复制产品或流程的当前状况的仿真模型,例如在仿真模型中整合磨损或修改信息。可将连接至产品或流程的传感器的数据用于为数字孪生体提供实时边界条件。工程师能根据实际机器的运行情况对数字孪生体的结果进行校准。

仿真对于数字孪生体而言具有至关重要的意义,因为它能够解答“如果我们更改这个会怎样?”、“那个发生的原因是什么?”以及“我们如何才能让设计更完善?”等问题。

控制系统

ANSYS SCADE使用和真实物理机器上所用的相同的控制软件和人机界面(HMI),来控制数字孪生体和研发HMI。

然后,工程师可在数字孪生体上对不同的场景或工作条件进行虚拟测试,并使用与控制物理设备所用的相同接口来查看设备的性能表现。

完整技术平台

ANSYS提供的高级平台可集成众多不同的仿真工具,以用于改善数字孪生体体验。 ANSYS Engineering Knowledge Manager (EKM)是重要的工具之一,其可显著简化将多个数字孪生体连接至IoT的流程。例如,如果某个特定的机器拥有100种不同的实现方案,那么EKM就能存储每一种设备的数字孪生体,体现它们之间的差异(例如,它们的老化程度和工作条件等),然后再将来自某特定机器的输入数据与相关的数字孪生体进行连接。此外,ANSYS仿真技术平台还包含ANSYS DesignXplorer,其不仅可用于探索众多条件或几何变量,同时还能快速评估各种工作条件,从而帮助工程师确定可交付最佳性能的条件。工程师能离线使用DesignXplorer,为解决问题找出最佳解决方案,然后将其实施到工作中的机器设备上。

human-machine interface
采用ANSYS SCADE为化学工艺设备研发的人机界面

“ANSYS是唯一一家拥有一整套仿真解决方案的公司,其解决方案包括平台、知识储备广博而精深的可信赖的物理场以及卓越的系统功能性。”

wheel stress simulation
基于物理场的仿真可提供数字孪生体的深度信息,例如作用在车轮上的应力等。

集成数字孪生体生态系统

ANSYS仿真平台已经过验证,能够与多种常见的物联网平台协同使用,例如PTC的ThingWorx®和通用电气公司的Predix®等。例如,ANSYS与PTC通力合作,共同演示如何利用运行的泵机的仿真模型比常规试错法更快地诊断和解决运行问题。

长期以来,工程师通过评估复杂物理场的方法将仿真用于改进几乎每一种物理产品或流程,而通过物理测试则无法完全理解错综复杂的物理场。ANSYS是唯一一家拥有一整套仿真解决方案的公司,其解决方案包括平台、知识储备广博而精深的可信赖的物理场以及卓越的系统功能性。ANSYS仿真解决方案可帮助工程师借助数字孪生体获得更深入的洞察力。当工程仿真与数字孪生体整合在一起时,不仅能帮助企业分析和优化现实工作条件下的产品性能,而且还能对未来的性能做出准确的预测,从而提升产品运行和生产力,同时降低计划外停工导致的成本与风险。

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