ANSYS系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生解決方案

1、ANSYS系統(tǒng)仿真與 數(shù)字孿生解決方案系統(tǒng)建模、仿真與數(shù)字孿生技術(shù)ANSYS系統(tǒng)仿真&數(shù)字孿生平臺ANSYS三維模型降階(ROM)技術(shù) 系統(tǒng)仿真&數(shù)字孿生應(yīng)用案例介紹數(shù)字化轉(zhuǎn)型的目的: 發(fā)揮數(shù)字與物理世界的交互融合的價值分析洞察數(shù)據(jù)聚合物理世界3How Advanced Analytics Can Benefit Infrastructure Capital Planning (April 2018)Physical Asset (In-service)Digital Twin(Virtual Replica)實際設(shè)備傳感器虛擬設(shè)備（模型）輸入輸出設(shè)備使用人員/設(shè)備控制系統(tǒng)基于經(jīng)驗/理論公式的

2、模型基于數(shù)據(jù)的模型基于三維幾何建模的模型基于仿真的模型ANSYS基于仿真的的數(shù)字孿生數(shù)字孿生是客觀事物在虛擬世界的鏡像?視頻: 數(shù)字孿生價值How Digital Twins help our customers增加最大化收益達到成本管理的底線 獲得/保持競爭優(yōu)勢一個例子無法直接拿到葉片載荷數(shù)據(jù)可以用數(shù)字孿生間接拿到葉片載荷數(shù)據(jù)Preventive Maintenance Value Added Services Feedback to EngineeringSimulationPlatformMotor-Pump Digital TwinIndustrial IoT Platform(PTC

3、 ThingWorx) Big Data Streaming Big Data Analytics History, Triggers Security ConnectivityInputsDataMotor-Pump in Operation8數(shù)據(jù)的復(fù)雜性Simulati數(shù)on據(jù)O的ut完pu整ts性、廣泛性及質(zhì)量基于仿真的“數(shù)字孿生” 實現(xiàn)高階數(shù)據(jù)分析9基于仿真的數(shù)字孿生應(yīng)用IIoT andData AnalyticsSimulation-basedDigital Twins+虛擬傳感器問題：由于物理限制，無法將關(guān)鍵 傳感器添加到資源中。如何在不實際捕獲數(shù)據(jù)的情 況下利用這些數(shù)據(jù)的洞察力？

4、方案：基于物理的精準模擬實時監(jiān)控與支持問題：不正確的運維方案可能導(dǎo)致 業(yè)績不佳或情況惡。在對關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)用更改之前，如何驗證糾正措施？方案：基于物理的精準監(jiān)測設(shè)備健康管理問題：預(yù)測設(shè)備的使用壽命物理設(shè)備故障數(shù)據(jù)，遠程在線診斷與故障分析方案：基于現(xiàn)場的連接服務(wù)多方案仿真模擬評測問題：多方案虛擬仿真模擬驗證真實工況與極限工況模擬方案：基于仿真的方案對比運行角度設(shè)計角度Digital Signatures設(shè)計決策成本重量效率魯棒性Virtual Sensors運行決策壽命性能診斷優(yōu)化MODEL-BASED ENTERPRISE & SYSTEMSENGINEERINGINTEGRATED IoT AS

5、SETS &ECOSYSTEMS數(shù)字雙胞胎的實際應(yīng)用11實現(xiàn)數(shù)字孿生價值的方案所必須的能力構(gòu)建精確、基于物理的仿真模型驗證和優(yōu)化仿真模型導(dǎo)出TWIN模型并與IIoT平臺連接進行運營部署一個不同精度系統(tǒng)仿真例子12s模型仿真結(jié)果需求需求 23: 閥門在500us內(nèi)關(guān)閉X功能仿真Postruefalse0500ustPmax系統(tǒng)仿真(0D)Pos0500us tPmax高置信度仿真 (3D) 開環(huán)驗 證ActuatorPos500usPmax t系統(tǒng)驗證(0D-ROM-Po0PmaxCtrl)-閉環(huán)驗證500ust13多學(xué)科聯(lián)合仿真LV-BatteryElectromechanicsPneumat

6、ic/HydraulicBraking SystemPowerElectronicsEmbedded SoftwareVehicle Dynamics0F_Pedals_valveF_ValvebrakePressureModelica_Braking_SystemHydraulics_20171129TauPedalI_setVAVBF_valveS_valveMag_ValveMagnetic_Valve_3SFG49VPVADCVM1E1+DCVEMF=12ChopperVNVBBuck_1A23XD4LIMIT_Vehicleeed_VehiclepDrivinBrakePeed_Wh

7、eelceCalipergTorqueSpressurePosSli SpSimple_VehicleforVehDyn_20171129IvehicleVelocityrefslipABS_Control_IdealControlleractivateG(s)GS1G(s)GS2速度傳感器剎車盤模型集成 3D ROM, FMUs, VHDL-AMS, Modelica 等模型 在一個多學(xué)科聯(lián)合仿真環(huán)境里電路方程3D ROMFMU狀態(tài)機Current ControllerPWM ControlVAVBI_dVPVNLout I_set DENPower ElectronicsIGBT1D1L=

8、1uHL1L=1uHL2I_iniAAM1S1AM1.I=I_set + DSW_OFFSET: S1:=0EN=1SW_ONSET: S1:=1INI_RETURNSET: S1:=-1EN 1嵌入式軟件控制邏輯/電路電磁部件液壓/氣動模型動力學(xué)模型傳遞函數(shù)ANSYS Twin Builder支持從概念設(shè)計到運營階段維護全過程系統(tǒng)一維模型仿真系統(tǒng)一維與三維混合模型仿真系統(tǒng)模型用于虛擬試驗虛擬模型用于設(shè)備運營維護在系統(tǒng)設(shè)計的早期構(gòu)建系統(tǒng)一維模型并驗證通過Modelica、VHDL-AMS等構(gòu)建系統(tǒng)模型通過特有的三維模型降階技術(shù)把三維模型引入系統(tǒng)仿真通過因為三維模型構(gòu)建精度更高的系統(tǒng)仿真把系統(tǒng)模

9、型部署到測試環(huán)境用于半實物試驗構(gòu)建虛擬傳感器觀測不易通過傳感器采集的數(shù)據(jù)或場狀態(tài)進行現(xiàn)實難以模擬的惡劣工況測試測試及優(yōu)化系統(tǒng)運行性能把系統(tǒng)模型部署到運行環(huán)境提升運營維護通過虛擬傳感器觀測不易通過傳感器采集的數(shù)據(jù)或場狀態(tài)對設(shè)備的壽命等進行預(yù)測性維護排故方案預(yù)演Software, Control Models+Validated 3D Physics ModelsTwin Model for cloud/edge deploymentSystemModelSystem LibrariesROMSolverFMU for SimulationworkflowsLTI & LPVStaticDynam

10、ic ROM Extraction CapabilitiesTest DataTwin Model forOffline ComputeData- based ROMDigital Twin PartnersDigital TwinExport系統(tǒng)仿真平臺X-in-LoopTwin Builder數(shù)字孿生構(gòu)架與及部署流程系統(tǒng)建模、仿真與數(shù)字孿生技術(shù)ANSYS系統(tǒng)仿真&數(shù)字孿生平臺ANSYS三維模型降階(ROM)技術(shù)系統(tǒng)仿真&數(shù)字孿生應(yīng)用案例介紹Twin Builder三大主要功能系統(tǒng)驗證與優(yōu)化驗證和優(yōu)化系統(tǒng)模型驗證系統(tǒng)預(yù)測維護將孿生體部署到IIoT或邊緣設(shè)備部署建立基于物理的精準數(shù)字模型構(gòu)建構(gòu)

11、建系統(tǒng)模型建模階段的優(yōu)勢與能力支持多種建模語言支持Modelica, VHDL-AMS, C/C+, SPICE 等語言可擴展的多學(xué)科專業(yè)模型庫電氣,、電子、機械、流體、熱力、信號庫等與第三方工具(包含1D) 集成支持FMI/FMU, 與ANSYS 3D和第三方Model Exchange& co-simulation3D降階模型生成與集成通過ROM (Dynamic, Static and DX) 實現(xiàn)3D物理模型的簡化與嵌入式軟件集成SCADE Suite, SCADE Display 等便捷的多源異構(gòu)模型構(gòu)建平臺支持多物理、多語言、高保真模型Twin Builder技術(shù)能力：快速構(gòu)建系統(tǒng)

12、仿真模型內(nèi)置Modelon Modelica庫Modelon庫列表空調(diào)庫飛機動力學(xué)發(fā)動機動力庫電氣化庫燃料電池庫電力庫飛機環(huán)控庫飛機燃油系統(tǒng)庫熱交換庫液壓庫水力發(fā)電庫噴氣推進系統(tǒng)庫液體冷卻庫氣動庫火電庫蒸汽循環(huán)庫車輛動力學(xué)庫The Modelica Standard Library (MSL) is a free library from the Modelica Association with over 1,500 components for modeling mechanical, electrical, thermal, fluid, and control systems.In T

13、win Builder:MSL included with installationCreate diagrams from MSL modelsImport subsystems built with MSL models與Modelica標準庫(MSL)完全兼容VHDL-AMS Language-Based ModelingMulti-Domain SystemsLanguage-Based Modeling內(nèi)置的多物理域模型庫及工具控制系統(tǒng)液壓系統(tǒng)機械系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)電氣系統(tǒng)電力系統(tǒng)制造汽車航空航天加熱與冷卻可擴展的專業(yè)模型庫使用內(nèi)置的和附加的庫開發(fā)多域系統(tǒng)模型使用內(nèi)置的Modelica和專

14、門 的Twin Builder庫開發(fā)多域系 統(tǒng)模型。Add-On Libraries (Modelica):Heating and Cooling LibraryFluid Power Library三維降階模型接口把三維模型應(yīng)用于系統(tǒng)仿真EM/CFD/ME 等三維模型滿足高精度的仿真分析要求 但對于運行三維瞬態(tài)分析的大型模型來說，計算成本很高ROM能顯著模型大小及仿真時間ElectromagneticsStructuresFluidsSystemsROMReduced Order ModelingTwin Builder模型集成接口標準FMI標準接口增強效率和交互性InterfaceStan

15、dard- Based Interoperabilit yTwin Builder支持標準的模型交換的FMI接口,支持與符合FMI標準的第三方仿真軟件集成, 支持將Twin Builder的模型作為FMUs導(dǎo)出創(chuàng)建和重用 C/C+ models with the Twin Builder C interface.FMI：功能模型接口（FMI）是一種獨立于工具的標準，通過使用xml文件 和已編譯的C代碼的組合來支持模型交換和動態(tài)模型的共同仿真。FMI有 100多種工具支持歐洲，亞洲和北美的組織都在使用它。FMI 2.0功能模型 接口2.0,獨立于工具的仿真模型交換標準”與嵌入式軟件集成：SCAD

16、E Suite & Display 集成控制與顯示支持與使用SCADE Suite & Display開發(fā)的控制算法與顯示應(yīng)用無縫集成。驗證階段優(yōu)化與能力集成后處理的多域仿真分析和優(yōu)化系統(tǒng)中多域組件之間的交互快速人機界面原型設(shè)計通過功能強大、易于設(shè)計和交互式的圖形面板增強模擬體驗系統(tǒng)驗證和優(yōu)化支持DoE、參數(shù)掃描和腳本 (VBA/Python)XiL集成支持模型在環(huán) (MiL)和軟件在環(huán) (SiL) 在環(huán)工作流程確保產(chǎn)品的可靠性和魯棒性通過優(yōu)化工具優(yōu)化系統(tǒng)性能輕松集成與驗證測試數(shù)據(jù)Twin Builder技術(shù)能力： 驗證和優(yōu)化數(shù)字孿生體模型多功能后處理集成仿真技術(shù):集成, 驗證和優(yōu)化multi

17、-domain systems智能, 高性能求解器仿真同步化基于仿真的測試分析優(yōu)化、魯棒性與可靠性工具波形與數(shù)據(jù)后處理報告、腳本與自動化時域頻域快速HMI原型Increase testing efficiency by integrating HMI快速原型增強使用體驗，它功能強大，易于設(shè)計，交互式圖形面板。使用快速原型創(chuàng)建交互面板，使用 預(yù)定義的小部件(按鈕、滑塊等)與測 試中的應(yīng)用程序交互。HMIDesignSystem Modeling &Simulation系統(tǒng)驗證與優(yōu)化簡單的實驗測試數(shù)據(jù)對比驗證使用內(nèi)置的優(yōu)化器(或ANSYS DX和ANSYS OptiSlang)優(yōu)化系統(tǒng)性能Phys

18、ical Model系統(tǒng)驗證與優(yōu)化XiL集成MiL Design/TuningCo-simulation代碼生成SiL Validation代碼導(dǎo)入Tight Integration withEmbedded Control & SW支持用于模型在環(huán)(MiL)與軟件在環(huán)(SiL)驗證 工作流程的聯(lián)合仿真Co-simulation for Model-in-the-Loop (MiL) 控制策略的設(shè)計和調(diào)整。嵌入式代碼導(dǎo)入用于在虛擬系統(tǒng)中Software- in-the-Loop (SiL)驗證提供了與流行的嵌入式控制設(shè)計工具（包括 ANSYS SCADE 工 具 套 件 和 MathWorks

19、 Simulink）的鏈接部署階段優(yōu)勢與能力快速連接到受支持的IIoT平臺配置連接器以連接到IIoT平臺并發(fā)送和接收操作數(shù)據(jù)ANSYS支持SAP預(yù)測工程洞察力與Rockwell Automation and Azure 合作數(shù)字孿生導(dǎo)出和部署生成的數(shù)字孿生模型從Twin Builder導(dǎo)出以生成可兼容、可部署的 數(shù)字孿生體（.twin文件）利用Ansys Twin Deployer輕松部署數(shù)字雙胞胎通過在雙胞胎上執(zhí)行驗證和驗證，顯著減少部署時間運維優(yōu)化預(yù)測性維護部署Twin Builder技術(shù)能力： 生成與部署數(shù)字孿生體Software, Control Models+Validated 3D

20、 Physics ModelsTwin Model for cloud/edge deploymentSystemModelSystem LibrariesROMSolverFMU for SimulationworkflowsLTI & LPVStaticDynamic ROM Extraction CapabilitiesTest DataTwin Model forOffline ComputeData- based ROMDigital Twin PartnersDigital TwinExport系統(tǒng)仿真平臺X-in-LoopTwin Builder數(shù)字孿生構(gòu)架與及部署流程利用Ans

21、ys Twin Deployer輕松部署數(shù)字雙胞胎通過對孿生體執(zhí)行驗證校核，可以顯著減少部署時間容易將twin部署到云、edge或離線環(huán)境中使用通過漏洞檢查確保雙胞胎的安全性FMU編寫器:組合多個FMUs和Twins輕松創(chuàng)建新的孿生模型Twin DeployerCloudEdgeOffline TwinsProduct通過運行SDK把Twin模型部署到IIoT云平臺部署階段的好處和功能SDK很方便與IIoT平臺 集成，通過SDK運行 Twin模型已經(jīng)在SAP LeonardoIoT、PTC ThingWorx、Predix和阿里巴巴等平臺部署智能機械IoT 平臺異常情況 傳感器數(shù)據(jù)應(yīng)用校正動作

22、試驗校正動作仿真結(jié)果數(shù)字孿生運行于云上ANSYS平 臺虛擬原型物理原型傳感器數(shù)據(jù)分析洞察系統(tǒng)建模、仿真與數(shù)字孿生技術(shù)ANSYS系統(tǒng)仿真&數(shù)字孿生平臺ANSYS三維模型降階(ROM)技術(shù)系統(tǒng)仿真&數(shù)字孿生應(yīng)用案例介紹三維降階模型接口把三維模型應(yīng)用于系統(tǒng)仿真EM/CFD/ME 等三維模型滿足高精度的仿真分析要求 但對于運行三維瞬態(tài)分析的大型模型來說，計算成本很高ROM能顯著模型大小及仿真時間ElectromagneticsStructuresFluidsSystemsROMReduced Order ModelingTwin Builder問題1：沒有理論公式/實驗數(shù)據(jù)，如何建立精準模型？比如風洞

23、，電力變壓器，飛機客艙問題2：是否可以將Ansys 3D多物理場仿真降階為1D模型用于系統(tǒng)仿真？問題3：是否可以在很短的時間內(nèi)生成Ansys 3D多物理有限元仿真？3D Reduced-Order Modeling InterfacesTransforms 3D simulation results into system-level models以系統(tǒng)為主的1D+3D耦合仿真的難點高置信度系統(tǒng)仿真（1D+3D耦合仿真）1D模型（置信度低，計算速度高）一個步長計算，毫秒級一個步長計算，分鐘級33DD降模階型模（型置（信置度信高度，高計，計算算速速度度低高）系統(tǒng)運行一秒的仿真時間，幾千分鐘一個步

24、長計算，毫秒-幾百毫秒機系統(tǒng)運行一秒的仿真時間，幾秒-幾分鐘降階模型(ROM)是動態(tài)模型的高保真簡化降階模型的好處Reduced OrderModel (ROM)縮短仿真時間 (10-100倍)理想的實驗設(shè)計（DoE）/參數(shù)掃描可以繼承到Twin Builder參與系統(tǒng)仿真數(shù)字孿生模型生成用于接近實時的應(yīng)用場景降低存儲大小極大降低模型存儲大小重用三維模型Reuse 3D model重用驗證過的三維模型用于系統(tǒng)仿真幫助提升三維求解器的用途Fluent CFD仿真: 12核運行3小時ROM仿真： 實時Motivation of using ROMsANSYS ROM supports multip

25、le characteristics / physicsMultiple Characteristics (Linear/Nonlinear, Static/Transient)Multiple Physics (Mechanical / Electromagnetic / Thermal / Fluid)Transforms 3D simulation results into system- level modelsPreserves essential accuracySimulates in a fraction of the time required by 3DTechniques

26、 for all ANSYS physics線性 ROM非線性, 靜態(tài)非線性, 動態(tài)技術(shù)與功能State-Space/LTI ModalS-ParameterDX-ROMStatic ROMOptiSLangTwin Builder Dynamic ROM BuilderMaxwell ECE支持的工具Fluent, Mechanical, Icepak, Q3D, Maxwell, HFSS, SIwaveStatic ROM: FluentDX-ROM: Workbench/DesignXplorerDynamic ROM Builder: All Maxwell ECE: Maxwell

27、限制Linear system only Specific limitation for each toolSupport enabled by toolsStatic onlyExtending support for new toolsrequires effortFor Scalar onlyLimited input and outputsTwin Builder中支持的三種主要ROM線性ROM的做法與原理-LTI線性時不變技術(shù)可以是三維瞬態(tài)仿真，也可以是其 他系統(tǒng)仿真，但一定要確定這個現(xiàn) 象是線性時不變的在Twin Builder里分析第1步生成的結(jié)果，生成ROMIntroducin

28、g ANSYS Twin Builder Battery WizardBattery Wizard allows users to easily construct battery cells and assemble them into battery modules foruse in electro-thermal simulationsStreamlines the model creation and parametrization of Cell and Modules and allows export to multipleformatsBattery ModuleConfig

29、urationBattery CellConfiguration12A123 uses ANSYS Twin Builder to perform thermal simulation of their 48V battery pack development. A123 also utilizes Ansys Twin Builders Reduced Order Model (ROM) technologies to simplify complex 3D thermal simulation to significantly reduce the simulation time from

30、 days to few seconds while keeping the required simulation accuracy.“- Shawn Zhang, Sr. Manager, Simulation Engineering, A123 System在實驗設(shè)計中定義的設(shè)計點上，獲得輸出參數(shù)值作為輸入?yún)?shù)的函數(shù)使用插值方法作為基本方法Response SurfaceModeling非線性、靜態(tài)、只輸出點數(shù)據(jù)：響應(yīng)面降階模型46非線性靜態(tài)降階模型的生成CFD 仿真結(jié)果降階模型生成方法降階模型仿真結(jié)果進行10次CFD仿真， 獲得整個工作范圍內(nèi) 的流場分布降階模型汽車發(fā)動機外部冷卻 空氣

31、流場仿真案例。 兩個冷卻空氣進口的 流速作為輸入變量。非線性、靜態(tài)、輸出場數(shù)據(jù)CFD與降階模型計算對比最大偏差:1.2%Fluent16個核的工作站，計算2小降階模型當生成降階模型后，我們在工作范圍內(nèi)隨機選取一個工況，分別采用Fluent和降階模型進行計算，對比結(jié)果如下：筆記本電腦計算3秒鐘49Rich 3D Visualization with Mesh based viewerNew 3D ROM viewer (version 2.1) will replace the older 3D ROM viewerNew 3D ROM viewer has a newer interface

32、and several bug fixes and enhancement featuresVersion of 3D ROM viewer can be selected from options (0: No viewer, 1: Version 1, 2: Version 2)動態(tài)降階：非線性動態(tài)輸出點數(shù)據(jù)主流道：主入口：恒速、恒溫第二入口：可調(diào)速、調(diào)溫度分管：160萬網(wǎng)格水蒸氣和剛材料理想的氣體k-e 模型壁面?zhèn)鳠崦看瘟黧w計算在16核機器上需要大約57小時目標: 對兩個輸入量進行動態(tài)降階T_solid = mean temperature in solid outletT_fluid = mean temperature in