ANSYS系统仿真与数字孪生解决方案

1、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3How Advanced Analytics Can Benefit Infrastructure Capital Planning (April 2018)Physical Asset (In-service)Digital Twin(Virtual Replica)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

2、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How Digital Twins help our customers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IIoT andData AnalyticsSimulation-basedDigital Twins+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？

4、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Digital Signatures设计决策成本重量效率鲁棒性Virtual Sensors运行决策寿命性能诊断优化MODEL-BASED ENTERPRISE & SYSTEMSENGINEERINGINTEGRATED IoT AS

5、SETS &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12s模型仿真结果需求需求 23: 阀门在500us内关闭X功能仿真Postruefalse0500ustPmax系统仿真(0D)Pos0500us tPmax高置信度仿真 (3D) 开环验 证ActuatorPos500usPmax t系统验证(0D-ROM-Po0PmaxCtrl)-闭环验证500ust13多学科联合仿真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速度传感器刹车盘模型集成 3D ROM, FMUs, VHDL-AMS, Modelica 等模型 在一个多学科联合仿真环境里电路方程3D ROMFMU状态机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ANSYS Twin Builder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

9、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, 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系统仿真平台X-in-LoopTwin Builder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Twin Builder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

11、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ANSYS 3D和第三方Model Exchange& co-simulation3D降阶模型生成与集成通过ROM (Dynamic, Static and DX) 实现3D物理模型的简化与嵌入式软件集成SCADE Suite, SCADE Display 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Twin Builder技术能力：快速构建系统

12、仿真模型内置Modelon Modelica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与Modelica标准库(MSL)完全兼容VHDL-AMS Language-Based ModelingMulti-Domain SystemsLanguage-Based Modeling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

14、门 的Twin Builder库开发多域系 统模型。Add-On Libraries (Modelica):Heating and Cooling LibraryFluid Power Library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ElectromagneticsStructuresFluidsSystemsROMReduced Order ModelingTwin Builder模型集成接口标准FMI标准接口增强效率和交互性InterfaceStan

15、dard- Based Interoperabilit yTwin Builder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Twin Builder的模型作为FMUs导出创建和重用 C/C+ models with the Twin Builder C interface.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。FMI 2.0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：SCAD

16、E Suite & Display 集成控制与显示支持与使用SCADE Suite & 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Twin Builder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

17、-domain systems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Increase testing efficiency by integrating HMI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。HMIDesignSystem Modeling &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ANSYS DX和ANSYS OptiSlang)优化系统性能Phys

18、ical Model系统验证与优化XiL集成MiL Design/TuningCo-simulation代码生成SiL Validation代码导入Tight Integration withEmbedded Control & 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-simulation for Model-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 ANSYS SCADE 工 具 套 件 和 MathWorks

19、 Simulink）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Rockwell Automation and Azure 合作数字孪生导出和部署生成的数字孪生模型从Twin Builder导出以生成可兼容、可部署的 数字孪生体（.twin文件）利用Ansys Twin Deployer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Twin Builder技术能力： 生成与部署数字孪生体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系统仿真平台X-in-LoopTwin Builder数字孪生构架与及部署流程利用Ans

21、ys Twin Deployer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Twin DeployerCloudEdgeOffline TwinsProduct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SAP LeonardoIoT、PTC ThingWorx、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

22、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ElectromagneticsStructuresFluidsSystemsROMReduced Order ModelingTwin Builder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

23、，电力变压器，飞机客舱问题2：是否可以将Ansys 3D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Ansys 3D多物理有限元仿真？3D Reduced-Order Modeling InterfacesTransforms 3D simulation results into system-level models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

24、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Reduced OrderModel (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Twin Builder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Reuse 3D model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Fluent CFD仿真: 12核运行3小时ROM仿真： 实时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线性 ROM非线性, 静态非线性, 动态技术与功能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Twin Builder里分析第1步生成的结果，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Response SurfaceModeling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

31、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%Fluent16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)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 = mean temperature in solid outletT_fluid = mean temperature in