ANSYS系统仿真与数字孪生解决方案.pptx
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ANSYS系统仿真与数字孪生解决方案.pptx
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ANSYS系统仿真与数字孪生解决方案,系统建模、仿真与数字孪生技术,ANSYS系统仿真&数字孪生平台ANSYS三维模型降阶(ROM)技术系统仿真&数字孪生应用案例介绍,数字化转型的目的:
发挥数字与物理世界的交互融合的价值,分析洞察,数据聚合,物理世界,3,HowAdvancedAnalyticsCanBenefitInfrastructureCapitalPlanning(April2018),PhysicalAsset(In-service),DigitalTwin(VirtualReplica),实际设备,传感器,虚拟设备(模型),输入,输出,设备使用人员/设备控制系统,基于经验/理论公式的模型基于数据的模型基于三维几何建模的模型基于仿真的模型,ANSYS基于仿真的的数字孪生,数字孪生是客观事物在虚拟世界的镜像?
视频:
数字孪生价值,HowDigitalTwinshelpourcustomers,增加最大化收益达到成本管理的底线获得/保持竞争优势,一个例子,无法直接拿到叶片载荷数据,可以用数字孪生间接拿到叶片载荷数据,PreventiveMaintenanceValueAddedServicesFeedbacktoEngineering,Simulation,Platform,Motor-PumpDigitalTwin,IndustrialIoTPlatform,(PTCThingWorx)BigDataStreamingBigDataAnalyticsHistory,TriggersSecurityConnectivity,Inputs,Data,Motor-PumpinOperation,8,数据的复杂性,Simulati数on据O的ut完pu整ts性、广泛性及质量,基于仿真的“数字孪生”实现高阶数据分析,9,基于仿真的数字孪生应用,IIoTandDataAnalytics,Simulation-basedDigitalTwins,+,虚拟传感器问题:
由于物理限制,无法将关键传感器添加到资源中。
如何在不实际捕获数据的情况下利用这些数据的洞察力?
方案:
基于物理的精准模拟,实时监控与支持问题:
不正确的运维方案可能导致业绩不佳或情况恶。
在对关键设备应用更改之前,如何验证纠正措施?
方案:
基于物理的精准监测,设备健康管理问题:
预测设备的使用寿命物理设备故障数据,远程在线诊断与故障分析方案:
基于现场的连接服务,多方案仿真模拟评测问题:
多方案虚拟仿真模拟验证真实工况与极限工况模拟方案:
基于仿真的方案对比,运行角度,设计角度,DigitalSignatures,设计决策成本重量效率鲁棒性,VirtualSensors,运行决策寿命性能诊断优化,MODEL-BASEDENTERPRISE&SYSTEMSENGINEERING,INTEGRATEDIoTASSETS&ECOSYSTEMS,数字双胞胎的实际应用,11,实现数字孪生价值的方案所必须的能力,构建精确、基于物理的仿真模型,验证和优化仿真模型,导出TWIN模型并与IIoT平台连接进行运营部署,一个不同精度系统仿真例子,12,s,13,多学科联合仿真,LV-Battery,Electromechanics,Pneumatic/HydraulicBrakingSystem,PowerElectronics,EmbeddedSoftware,VehicleDynamics,0,F_Pedal,s_valve,F_ValvebrakePressur,e,Modelica_Braking_SystemHydraulics_20171129,Tau,Pedal,I_set,VA,VB,F_valve,S_valve,Mag_ValveMagnetic_Valve_3SFG49,VPVADCVM1E1+DCVEMF=12ChopperVNVBBuck_1A23XD4,LIMIT,_Vehicle,eed_Vehicle,p,Drivin,BrakeP,eed_Wheel,ceCaliper,gTorqueSpressurePosSliSpSimple_VehicleforVehDyn_20171129,I,vehicleVelocityrefslipABS_Control_IdealControlleractivate,G(s),GS1,G(s),GS2,速度传感器,刹车盘模型,集成3DROM,FMUs,VHDL-AMS,Modelica等模型在一个多学科联合仿真环境里,电路,方程,3DROM,FMU,状态机,CurrentControllerPWMControl,VA,VB,I_d,VP,VN,LoutI_setD,EN,PowerElectronicsIGBT1,D1,L=1uH,L1,L=1uH,L2,I_ini,A,AM1,S1,AM1.I=I_set-D,AM1.I=I_set+D,SW_OFF,SET:
S1:
=0,EN=1,SW_ON,SET:
S1:
=1,INI_RETURN,SET:
S1:
=-1,EN1,嵌入式软件,控制逻辑/电路,电磁部件,液压/气动模型,动力学模型,传递函数,ANSYSTwinBuilder支持从概念设计到运营阶段维护全过程,系统一维模型仿真,系统一维与三维混合模型仿真,系统模型用于虚拟试验,虚拟模型用于设备运营维护,在系统设计的早期构建系统一维模型并验证通过Modelica、VHDL-AMS等构建系统模型,通过特有的三维模型降阶技术把三维模型引入系统仿真通过因为三维模型构建精度更高的系统仿真,把系统模型部署到测试环境用于半实物试验构建虚拟传感器观测不易通过传感器采集的数据或场状态进行现实难以模拟的恶劣工况测试测试及优化系统运行性能,把系统模型部署到运行环境提升运营维护通过虚拟传感器观测不易通过传感器采集的数据或场状态对设备的寿命等进行预测性维护排故方案预演,Software,ControlModels,+,Validated3DPhysicsModels,TwinModelforcloud/edgedeployment,System,Model,SystemLibraries,ROM,Solver,FMUforSimulationworkflows,LTI&LPVStaticDynamicROMExtractionCapabilities,TestData,TwinModelforOfflineCompute,Data-basedROM,DigitalTwinPartners,DigitalTwin,Export,系统仿真平台,X-in-Loop,TwinBuilder数字孪生构架与及部署流程,系统建模、仿真与数字孪生技术,ANSYS系统仿真&数字孪生平台,ANSYS三维模型降阶(ROM)技术系统仿真&数字孪生应用案例介绍,TwinBuilder三大主要功能,系统验证与优化验证和优化系统模型,验证,系统预测维护,将孪生体部署到IIoT或边缘设备,部署,建立基于物理的精准数字模型,构建,构建系统模型,建模阶段的优势与能力,支持多种建模语言支持Modelica,VHDL-AMS,C/C+,SPICE等语言可扩展的多学科专业模型库电气,、电子、机械、流体、热力、信号库等与第三方工具(包含1D)集成支持FMI/FMU,与ANSYS3D和第三方ModelExchange&co-simulation3D降阶模型生成与集成通过ROM(Dynamic,StaticandDX)实现3D物理模型的简化与嵌入式软件集成SCADESuite,SCADEDisplay等,便捷的多源异构模型构建平台支持多物理、多语言、高保真模型,TwinBuilder技术能力:
快速构建系统仿真模型,内置ModelonModelica库,Modelon库列表,空调库,飞机动力学,发动机动力库,电气化库,燃料电池库,电力库,飞机环控库,飞机燃油系统库,热交换库,液压库,水力发电库,喷气推进系统库,液体冷却库,气动库,火电库,蒸汽循环库,车辆动力学库,TheModelicaStandardLibrary(MSL)isafreelibraryfromtheModelicaAssociationwithover1,500componentsformodelingmechanical,electrical,thermal,fluid,andcontrolsystems.InTwinBuilder:
MSLincludedwithinstallationCreatediagramsfromMSLmodelsImportsubsystemsbuiltwithMSLmodels,与Modelica标准库(MSL)完全兼容,VHDL-AMSLanguage-BasedModeling,Multi-DomainSystems,Language-BasedModeling,内置的多物理域模型库及工具,控制系统,液压系统,机械系统,数字系统,电气系统,电力系统,制造,汽车,航空航天,加热与冷却,可扩展的专业模型库使用内置的和附加的库开发多域系统模型,使用内置的Modelica和专门的TwinBuilder库开发多域系统模型。
Add-OnLibraries(Modelica):
HeatingandCoolingLibraryFluidPowerLibrary,三维降阶模型接口把三维模型应用于系统仿真,EM/CFD/ME等三维模型满足高精度的仿真分析要求但对于运行三维瞬态分析的大型模型来说,计算成本很高,ROM能显著模型大小及仿真时间,ElectromagneticsStructures,Fluids,Systems,ROMReducedOrderModeling,TwinBuilder,模型集成接口标准FMI标准接口增强效率和交互性,Interface,Standard-BasedInteroperability,TwinBuilder支持标准的模型交换的FMI接口,支持与符合FMI标准的第三方仿真软件集成,支持将TwinBuilder的模型作为FMUs导出创建和重用C/C+modelswiththeTwinBuilderCinterface.FMI:
功能模型接口(FMI)是一种独立于工具的标准,通过使用xml文件和已编译的C代码的组合来支持模型交换和动态模型的共同仿真。
FMI有100多种工具支持欧洲,亚洲和北美的组织都在使用它。
FMI2.0功能模型接口2.0,独立于工具的仿真模型交换标准”,与嵌入式软件集成:
SCADESuite&Display集成控制与显示,支持与使用SCADESuite&Display开发的控制算法与显示应用无缝集成。
验证阶段优化与能力,集成后处理的多域仿真分析和优化系统中多域组件之间的交互快速人机界面原型设计通过功能强大、易于设计和交互式的图形面板增强模拟体验系统验证和优化支持DoE、参数扫描和脚本(VBA/Python)XiL集成支持模型在环(MiL)和软件在环(SiL)在环工作流程,确保产品的可靠性和鲁棒性通过优化工具优化系统性能轻松集成与验证测试数据,TwinBuilder技术能力:
验证和优化数字孪生体模型,多功能后处理集成仿真技术:
集成,验证和优化multi-domainsystems,智能,高性能求解器仿真同步化基于仿真的测试分析优化、鲁棒性与可靠性工具波形与数据后处理报告、脚本与自动化,时域,频域,快速HMI原型IncreasetestingefficiencybyintegratingHMI,快速原型增强使用体验,它功能强大,易于设计,交互式图形面板。
使用快速原型创建交互面板,使用预定义的小部件(按钮、滑块等)与测试中的应用程序交互。
HMIDesign,SystemModeling&Simulation,系统验证与优化,简单的实验测试数据对比验证使用内置的优化器(或ANSYSDX和ANSYSOptiSlang)优化系统性能,PhysicalMod,el,系统验证与优化XiL集成,MiLDesign/TuningCo-simulation,代码生成,SiLValidation代码导入,TightIntegrationwith,EmbeddedControl&SW,支持用于模型在环(MiL)与软件在环(SiL)验证工作流程的联合仿真Co-simulationforModel-in-the-Loop(MiL)控制策略的设计和调整。
嵌入式代码导入用于在虚拟系统中Software-in-the-Loop(SiL)验证提供了与流行的嵌入式控制设计工具(包括ANSYSSCADE工具套件和MathWorksSimulink)的链接,部署阶段优势与能力,快速连接到受支持的IIoT平台,配置连接器以连接到IIoT平台并发送和接收操作数据ANSYS支持SAP预测工程洞察力与RockwellAutomationandAzure合作数字孪生,导出和部署生成的数字孪生模型从TwinBuilder导出以生成可兼容、可部署的数字孪生体(.twin文件),利用AnsysTwinDeployer轻松部署数字双胞胎通过在双胞胎上执行验证和验证,显著减少部署时间,运维优化预测性维护部署,TwinBuilder技术能力:
生成与部署数字孪生体,Software,ControlModels,+,Validated3DPhysicsModels,TwinModelforcloud/edgedeployment,System,Model,SystemLibraries,ROM,Solver,FMUforSimulationworkflows,LTI&LPVStaticDynamicROMExtractionCapabilities,TestData,TwinModelforOfflineCompute,Data-basedROM,DigitalTwinPartners,DigitalTwin,Export,系统仿真平台,X-in-Loop,TwinBuilder数字孪生构架与及部署流程,利用AnsysTwinDeployer轻松部署数字双胞胎,通过对孪生体执行验证校核,可以显著减少部,署时间,容易将twin部署到云、edge或离线环境中使用通过漏洞检查确保双胞胎的安全性,FMU编写器:
组合多个FMUs和Twins轻松创建新的孪生模型,TwinDeployer,Cloud,Edge,OfflineTwins,Product,通过运行SDK把Twin模型部署到IIoT云平台,部署阶段的好处和功能,SDK很方便与IIoT平台集成,通过SDK运行Twin模型已经在SAPLeonardo,IoT、PTCThingWorx、,Predix和阿里巴巴等平台部署,智能机械,IoT平台,异常情况传感器数据,应用校正动作,试验校正动作,仿真结果,数字孪生运行于云上ANSYS平台,虚拟原型,物理原型,传感器数,据,分析洞察,系统建模、仿真与数字孪生技术ANSYS系统仿真&数字孪生平台,ANSYS三维模型降阶(ROM)技术,系统仿真&数字孪生应用案例介绍,三维降阶模型接口把三维模型应用于系统仿真,EM/CFD/ME等三维模型满足高精度的仿真分析要求但对于运行三维瞬态分析的大型模型来说,计算成本很高,ROM能显著模型大小及仿真时间,ElectromagneticsStructures,Fluids,Systems,ROMReducedOrderModeling,TwinBuilder,问题1:
没有理论公式/实验数据,如何建立精准模型?
比如风洞,电力变压器,飞机客舱问题2:
是否可以将Ansys3D多物理场仿真降阶为1D模型用于系统仿真?
问题3:
是否可以在很短的时间内生成Ansys3D多物理有限元仿真?
3DReduced-OrderModelingInterfacesTransforms3Dsimulationresultsintosystem-levelmodels,以系统为主的1D+3D耦合仿真的难点,高置信度系统仿真(1D+3D耦合仿真),1D模型(置信度低,计算速度高),一个步长计算,毫秒级,一个步长计算,分钟级,33DD降模阶型模(型置(信置度信高度,高计,计算算速速度度低高),系统运行一秒的仿真时间,几千分钟,一个步长计算,毫秒-几百毫秒机,系统运行一秒的仿真时间,几秒-几分钟,降阶模型(ROM)是动态模型的高保真简化,降阶模型的好处,ReducedOrderModel(ROM),缩短仿真时间(10-100倍)理想的实验设计(DoE)/参数扫描可以继承到TwinBuilder参与系统仿真数字孪生模型生成用于接近实时的应用场景,降低存储大小极大降低模型存储大小重用三维模型Reuse3Dmodel重用验证过的三维模型用于系统仿真帮助提升三维求解器的用途,FluentCFD仿真:
12核运行3小时,ROM仿真:
实时,MotivationofusingROMs,ANSYSROMsupportsmultiplecharacteristics/physics,MultipleCharacteristics(Linear/Nonlinear,Static/Transient),MultiplePhysics(Mechanical/Electromagnetic/Thermal/Fluid),Transforms3Dsimulationresultsintosystem-levelmodelsPreservesessentialaccuracySimulatesinafractionofthetimerequiredby3DTechniquesforallANSYSphysics,TwinBuilder中支持的三种主要ROM,线性ROM的做法与原理-LTI线性时不变技术,可以是三维瞬态仿真,也可以是其他系统仿真,但一定要确定这个现象是线性时不变的,在TwinBuilder里分析第1步生成的结果,生成ROM,IntroducingANSYSTwinBuilderBatteryWizard,BatteryWizardallowsuserstoeasilyconstructbatterycellsandassemblethemintobatterymodulesforuseinelectro-thermalsimulationsStreamlinesthemodelcreationandparametrizationofCellandModulesandallowsexporttomultiple,formats,BatteryModuleConfiguration,BatteryCellConfiguration,12,A123usesANSYSTwinBuildertoperformthermalsimulationoftheir48Vbatterypackdevelopment.A123alsoutilizesAnsysTwinBuildersReducedOrderModel(ROM)technologiestosimplifycomplex3Dthermalsimulationtosignificantlyreducethesimulationtimefromdaystofewsecondswhilekeepingtherequiredsimulationaccuracy.“-ShawnZhang,Sr.Manager,SimulationEngineering,A123System,在实验设计中定义的设计点上,获得输出参数值作为输入参数的函数使用插值方法作为基本方法,ResponseSurfaceModeling,非线性、静态、只输出点数据:
响应面降阶模型,46,非线性静态降阶模型的生成,CFD仿真结果,降阶模型生成方法,降阶模型仿真结果,进行10次CFD仿真,获得整个工作范围内的流场分布降阶模型,汽车发动机外部冷却空气流场仿真案例。
两个冷却空气进口的流速作为输入变量。
非线性、静态、输出场数据,CFD与降阶模型计算对比,最大偏差:
1.2%,Fluent,16个核的工作站,计算2小,降阶模型,当生成降阶模型后,我们在工作范围内随机选取一个工况,分别采用Fluent和降阶模型进行计算,对比结果如下:
笔记本电脑计算3秒钟,49,Rich3DVisualizationwithMeshbasedviewer,New3DROMviewer(version2.1)willreplacetheolder3DROMviewerNew3DROMviewerhasanewerinterfaceandseveralbugfixesandenhancementfeaturesVersionof3DROMviewercanbeselectedfromoptions(0:
Noviewer,1:
Version1,2:
Version2),动态降阶:
非线性动态输出点数据,主流道:
主入口:
恒速、恒温第二入口:
可调速、调温度,分管:
160万网格水蒸气和刚材料理想的气体k-e模型壁面传热,每次流体计算在16核机器上需要大约57小时,目标:
对两个输入量进行动态降阶T_solid=meantemperatureinsolidoutletT_fluid=meantemperatureinfluidoutlet,分管走热水可变,主流道:
恒温、恒速,选取四种激励场景分别用于学习或验证,Scenario1,Scenario2,Scenario3,Scenario4,Scenario1,Scenario2,Scenario3,降阶方案1:
场景1用于学习,验证场景2、3、4用于验证,Scenario4,Scenario1,Scenario2,Scenario3,Scenario4,降阶方案2:
场景1、2用于学习,场景3、4用于验证,Rombuilding=307sRomevaluation100mspercase,非线性、动态、输出场数据,Fluent,动态降阶模型,EnhancementstoStaticandDynamicROMBuilder,StaticROMs3DVizoftheoriginalsnapshotsafterimportinTB3DVizcomparisonsofresultsfromROMvsoriginalsnapshotsorROMvsROMAbilityto3DVizstructuraldeformationDynamicROMsDynamicROMBuildercanreadsnapshotsbinaryfilesasoutputsImprovedinitializationfordifferentinitialvaluesAbilitytohandlemore
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