融入数字孪生体生态系统的仿真应用

导读：本文由ANSYS数字孪生体总监Sameer Kher撰写，介绍工程仿真跟数字孪生体的结合应用。工业4.0研究院翻译全文，供行业人士参考。

为了完全理解运行中的机器，需要把全功能虚拟模型与机器的实际操作数据连接起来，这样的虚拟模型被称为数字孪生体（Digital Twin）。仿真是企业创建数字孪生体的宝贵工具，使其能够准确预测机器性能以及在生命周期内如何受到各种变化的影响。

通过使用仿真去了解实际产品行为，可以显著改善下一代产品，同时缩短产品推向市场时间周期。

目前，世界各地有数万台高价值的机器设备正在竭力运转，它们发电、造车、运输人员和货物、开采石油和天然气、供应清洁水、为消费者或企业接单，以及执行许多其它重要的功能。这些机器的设计，大多采用物理模拟仿真做优化，包括结构力学、流体力学、电磁、热能以及其它物理属性。

然而，随着这些设备资产的老化和改装，只有很少的一部分能够在初始设计的预设条件下运行。直到如今，负责设备运行效率的人员也没有很好的办法去理解运营环境的变化对于设备资产效能的影响。

机器是否即将产生故障导致停产，以至于每小时可能损失数万美元？长期处于次优条件下运行，会不会导致使用寿命的缩短？有没有机会通过改变操作条件或升级功能来改善其性能？

ANSYS的数字孪生体过程

工程模拟仿真与数字孪生体结合在一起的时候，可以帮助企业分析和优化产品在实际操作条件下的性能。

对于很多高价值资产，例如喷气式发动机，一直以来企业都在使用传感器采集数据。然而，这些数据并不总是实时收集的，并且数据量太大导致很难提取分析出准确且可供操作的洞察见解。物联网技术的出现，开始使传感器能够从这些资产中捕获数据，用以实时地了解和优化其性能。

通过将这些运行数据与设备运行的其它信息结合起来（包括维护记录、产品生命周期管理信息和模拟结果等），再加上分析和机器学习，形成一个生态系统，就可以构建一个功能齐全的数字孪生体模型。

使用数字孪生体，就有可能诊断出设计多个子系统，并且各种因素相互作用的复杂问题。对于数字孪生体来说，模拟仿真是至关重要的，因为它能解决改变条件、寻找根源和改进设计等问题。

ANSYS Simplorer系统级建模工具可以构建数字孪生体，准确描述部件、子组件和子系统之间的复杂交互。模型中的子系统可以定义到所需的保真度水平，从高阶行为模型到详细的基于物理的仿真模型。

系统级模型的子系统和组件通常由低阶模型组成（基于物理三维模型的紧凑表示），这些模型能够准确表示物理场，同时在更少的时间内提供结果。

数字孪生体概念的全部潜力是通过使用基于物理学的模型来实现的，即使在面对从未遇到的条件时，这些模型可以足够详细地对复杂资产的运行进行复刻，以充分理解其性能。

数字孪生体通常包含一个模拟仿真模型，可以复制资产运行情况，并且可以通过基本物理原理分析来预测资产的运行情况，从而诊断出无法预料的情况。它应该包括一个已开发的模拟仿真模型，以复制产品或流程的当前状态，例如将磨损情况或修改记录合并到模拟仿真模型中。从连接到产品或流程的传感器中获得的数据，可以用于为数字孪生体提供实施边界条件。数字孪生体的结果可以根据实际设备资产的运行进行校准。

ANSYS SCADE可以控制数字孪生体，并使用与实际物理资产相同的控制软件和人机界面去开发其人机界面。接下来，工程师可以通过使用这个与物理设备相同的控制接口，虚拟地测试数字孪生体的不同场景或操作条件，以查看它的性能。

化学处理过程的人机界面

ANSYS提供了一个复杂精细的平台来改善数字孪生体的使用体验。该平台集成了许多不同的仿真工具。其中，关键工具之一是ANSYS仿真数据管理系统（EKM），它大大简化了将多个数字孪生体连接到物联网的过程。例如，如果特定的资产有100个单独的实现，EKM可以存储每台资产的数字孪生体，并反映它们之间的差异（例如机龄和运行条件），然后把来自特定资产的输入数据和与其对应的数字孪生体相连接。

ANSYS仿真技术平台还包括ANSYS 多目标快速优化设计DesignXplorer，用于探索巨量运行条件或几何变量，并迅速评估各种操作条件，帮助工程师确定达到最佳性能的条件。DesignXplorer支持离线操作，可以先通过虚拟测试提出解决运行问题的最佳方案，然后再应用到实际的设备资产上面。

ANSYS仿真平台已被证明可以与广泛的主流物联网平台协同工作，诸如PTC公司的ThingWorx平台和GE公司的Predix平台。ANSYS与PTC合作做运行泵的仿真模型，能够比通常采用的试错方法更快地诊断和解决运行故障问题。

长期以来，通过评估那些无法在物理测试中完全理解的复杂物理学问题，模拟仿真一直用于改进几乎所有物理产品或流程。ANSYS是唯一一家拥有全套仿真解决方案的企业，涵盖了平台、可信物理能力的深度和广度，以及系统功能。

ANSYS模拟仿真解决方案帮助工程师通过数字孪生体获取更高层次的洞察力。把这些功能集成到数字孪生体时，工程模拟仿真可以帮助企业分析和优化产品在现实运行条件下的性能，对其未来的性能作出有信心的预测，以改善产品运行和生产率，降低成本以及计划外停机的风险。