ЕСТЬ ВОПРОСЫ? СВЯЗАТЬСЯ

Блог

Как на основе системного моделирования создаются цифровые двойники

Как на основе системного моделирования создаются цифровые двойники

В последнее время системное моделирование становится важной частью проектирования, помогая конструкторам перед разработкой каждой детали оценить, как работает все изделие в целом. Системные модели помогают инженерам проверять и подтверждать качество создаваемых продуктов, а также могут стать основой для цифровых двойников, позволяющих отслеживать характеристики изделий в реальных условиях эксплуатации.

 

ANSYS - С помощью цифровых двойников аэрокосмическая отрасль может планировать техническое обслуживание двигателей

 

Программный продукт ANSYS Twin Builder позволяет внедрять системное моделирование на всех этапах цикла разработки изделия. В целом, системные модели и цифровые двойники помогают организациям сократить время выхода продукта на рынок и сэкономить деньги как при плановом обслуживании, так и за счёт снижения количества гарантийных и страховых случаев, а также внеплановых остановок.

Что же такое «системное моделирование»?

Системное моделирование – это набор моделей, расчетов и алгоритмов, которые позволяют прогнозировать, как все части системы будут работать вместе.

 

ANSYS - Использование системного моделирования в автомобильной промышленности помогает обеспечивать совместную работу всех частей автомобиля

 

При построении системной модели вам необходимо будет учесть различные физические процессы, происходящие в отдельных компонентах системы. За счет объединения моделей в одном расчёте обеспечивается высокая достоверность полученной системной модели.

Основная проблема при создании системных моделей состоит в том, что модели компонентов основаны на компьютерном моделировании физических процессов в трёхмерной постановке, и поэтому требуют значительного количества времени и вычислительных ресурсов для расчёта.

«Мы должны применять более изящные решения при использовании таких моделей, – отмечает Келли Морган (Kelly Morgan), ведущий инженер ANSYS по применению программного обеспечения. – Одним из таких решений является использование моделей сокращённой размерности (ROM – Reducer Order Model), которые позволяют рассчитывать системные модели практически в режиме реального времени».

Модели сокращенного порядка (ROM-модели) — это упрощенные версии 3D-моделей, сохраняющие важную информацию, необходимую для моделирования систем. Расчёт таких моделей с заданными входными параметрами может быть на несколько порядков быстрее, чем расчёт полноценной 3D-модели.

Это делает ROM-модели удобным для применения во многих областях: оптимизация методом численного эксперимента (DoE – Design of Experiments), построение системных моделей, создание цифровых двойников и приложений, работающих в режиме реального времени. Именно с использованием ROM-моделей Twin Builder может объединять в системных моделях стороннее программное обеспечение и 3D-модели физических процессов.

Создание ROM-модели

Первым шагом для построения системной модели является создание ROM-моделей всех компонентов системы. Для этого инженеры должны сначала собрать обучающие данные, которые отражают характеристики 3D-модели во всём пространстве ее рабочих параметров. Twin Builder использует эти данные для синтеза ROM-модели.

 

ANSYS - Чтобы получить обучающие данные для модели такой батареи, необходимо рассчитать отклик на импульсное воздействие для каждой ячейки (при этом все остальные ячейки должны быть отключены)

 

«Например, давайте представим, что я создаю тепловую ROM-модель батареи из 28 ячеек. – описывает процесс Морган. – Я включаю одну ячейку и посылаю ступенчатый импульс на вход. Затем, я рассчитываю тепловыделение. Повторив процесс для каждой ячейки (с отключенными остальными 27), я получу обучающие данные».

Благодаря изолированному характеру импульсных воздействий при формировании обучающих данных в этом примере, полученная ROM-модель может с высокой точностью прогнозировать тепловое состояние батареи для произвольных входных сигналов. Однако, ROM-модели ограничены пространством обучающих данных, на котором они построены. Поэтому важно охватить все рабочие состояния, которые может испытать моделируемая система и ее виртуальная копия.

Кроме того, при изменении трёхмерной модели обучающие данные теряют свою актуальность. Следовательно, требуется создание новой ROM-модели на основе новых обучающих данных, полученных для обновленной модели.

Создание системной модели

Для моделирования системы необходимо объединить ROM-модели, алгоритмы и другие физические данные в единую системную модель. Возвращаясь к рассмотренному примеру, к тепловой ROM-модели батареи нужно добавить физические соотношения между параметрами системы – вольт-амперную характеристику батареи.

 

ANSYS - Системная модель батареи

 

Таким образом, для создания системной модели батареи требуются следующие шаги:

1. Разработка модели эквивалентной схемы (ECM – Equivalent Circuit Model) для получения вольт-амперных характеристик каждой ячейки.
2. Объединение ECM-моделей ячеек для формирования ECM-модели одного модуля из 28 ячеек.
3. Проведение гидрогазодинамических расчетов (CFD) для оценки теплового состояния батареи.
4. Формирование ROM-модели из CFD-расчетов.
5. Использование Twin Builder для объединения ROM-модели и ECM-модели модуля в двухстороннем связанном расчете.
6. Соединение отдельных модулей в единую модель всей батареи.

«Инженеры-электрики могут воспринимать системные модели как некий аналог схемотехнических моделей, в которых учитываются не только электрические токи, но и другие параметры из различных областей физики. – Говорит Морган. – Модель вашей системы может учитывать как электрические или тепловые величины, так и любые другие механические параметры».

Сферы применения системного моделирования и цифровых двойников

Подход, используемый для проведения системного моделирования, обеспечивает учёт всех физических и логических процессов, необходимых для представления реального изделия. Инженеры могут использовать данный подход для разработки продуктов, но его сфера применения этим не ограничена.

 

ANSYS - Системное моделирование и цифровые двойники находят применение не только на этапе проектирования

 

Системное моделирование может использоваться на протяжении всего жизненного цикла продукта. Объединив системную модель с датчиками на основе платформы Промышленного интернета вещей (IIoT – Industrial Internet of Things), мы получим цифровой двойник изделия.

Датчики собирают данные о реальном изделии, которые затем передаются в его цифровую версию. Такая цифровая копия позволяет дистанционно отслеживать, как работает реальное изделие. Результаты расчётов могут быть использованы для планирования эксплуатации, проведения опережающего обслуживания и оптимизации применения продукта.

И наконец, данные о характеристиках изделия, полученные с помощью цифрового двойника, могут быть отправлены обратно команде разработчиков и использованы для доработок продуктов прямо по месту эксплуатации или усовершенствования следующей версии продукта.

Чтобы узнать подробнее о том, как создать цифрового двойника батареи, ознакомьтесь с материалами вебинара (на английском языке): Developing Next-generation Batteries with 3D Physics and Systems Modeling and Simulation.

Источник: www.ansys.com
Автор: Shawn Wasserman

Понравился материал? Подпишитесь, чтобы быть в курсе событий

Facebook

Linkedin

Софт Инжиниринг Групп
© 2019 ANSYS | Софт Инжиниринг Групп. All rights reserved
Тел. +38 044 494 4460 | карта сайта

ansys certified channel partner

Search