ANSYS数字孪生助力产品创新 · 2019. 2. 21. · 1 © 2016 ANSYS, Inc. July 5, 2018 ANSYS Confidential ANSYS数字孪生助力产品创新杨帆

1 © 2016 ANSYS, Inc. July 5, 2018 ANSYS Confidential1 © 2016 ANSYS, Inc. July 5, 2018 ANSYS Confidential

ANSYS数字孪生助力产品创新

杨帆

2 © 2016 ANSYS, Inc. July 5, 2018 ANSYS Confidential

目录

• ANSYS 系统仿真相关产品简介

• 降阶模型介绍

• 系统与三维耦合仿真应用案例

• ANSYS数字孪生介绍

• ANSYS数字孪生示例


电磁阀——以3D为主

0

0

0

0 0

S

+

SM_TRB1

F

F_TRB2

MASS_TRB1

V0=0m_per_sec

S0=0.5mm

M=1gram

F

F_TRB1

Ide

al

STOP

LOWER_LIM=0.01mm

UPPER_LIM=0.195mm

F

F_mag

F

F_Plunger

F

F_spring

SPRING_TRB1

C=333

S+

S_TRB1

VALUE=0.185mm

E1

R1

T1

T2T3

T4

smpl_lift

cfd_force

S1

CTRL=S1

D1

SIMPLORER = Hostlift = f(FMag,FCFD,FSpring)

Maxwell

ANSYS FLUENT

Magnetic Force

Pressure Force

Lift

Lift

ImplicitPer Time step


飞机环控系统——以系统为主


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）

3D模型（置信度高，计算速度低）

一个步长计算，毫秒级一个步长计算，分钟级

系统运行一秒的仿真时间，几千分钟

3D降阶模型（置信度高，计算速度高）

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


ANSYS 仿真平台

PLATFORMMULTIPHYSICS

SYSTEMS

STRUCTURESFLUIDSSEMI

CONDUCTORSELECTRONICS

EMBEDDEDSOFTWARE


+

-

B11A11 C11

A12 A2

B12 B2

C12 C2

ROT2ROT1

ASMS

3~M

J

STF

M(t)

GN

D

m

STF

F(t)

GN

D

Magnetics

JA

MMF

Mechanics

L

HQ

Hydraulics, Thermal, ...

Simplorer Synchronizer Technology

Block DiagramsState-SpaceModels

Digital/VHDL

JK-Flip flop with Active-low Preset and Clear

CLK

INV

CLK

CLK

J Q

QB

CLR

PST

Flip flop

K

CLK

CLK

INV

0 0 0 0 1 1 1 1 1 1X-Axis

Curve Data

ffjkcpal1.clk:TR

ffjkcpal1.j:TR

ffjkcpal1.k:TR

ffjkcpal1.clr:TR

ffjkcpal1.pst:TR

ffjkcpal1.q:TR

ffjkcpal1.qb:TR

MX1: 0.1000

PROCESS (CLK,PST,CLR)BEGIN

IF (PST = '0') THENstate


ANSYS降阶模型的种类

静态

动态

线性非线性

只输出接口数据

输出变量场数据

只输出接口数据

输出变量场数据


静态只输出接口数据——响应面降阶模型

• The values of output parameters as a function of input parameters are obtained on the design points defined in the design of experiments

• Interpolation methods are essential to the model

Response Surface Modeling


静态输出变量场数据——静态ROM生成模块

CFD 仿真结果

降阶模型生成方法

降阶模型仿真结果

利用深度学习算法进行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。


CFD与降阶模型计算对比

绝对偏差分布云图最大偏差: 1.2%

Fluent

16个核的工作站，计算2小时笔记本电脑计算3秒钟

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：


动态线性只输出接口数据——LTI技术

Step Input Step Response

变量空间模型


动态线性输出变量场数据——SVD技术

VS


动态非线性输出变量场数据

Fluent

降阶

Tem

per

atu

reFi

eld

(°C

)

310

320

330

340

350

360

370

0 5 10Time (s)

Seco

nd

ary

Inle

tTe

mp

erat

ure

(K)

310

320

330

340

350

360

370

0 5 10Se

con

dar

yIn

let

Tem

per

atu

re(K

)Time (s)

Fluent

降阶

Tem

per

atu

reFi

eld

(°C

)

SVD+机器学习（深度学习）+递归神经网络


云梯分析案例

01 2 01 2 01 2 01 2

S+

S+

S+

S+

W

+


起落架分析案例

Mechanical RBDRetraction cylinder controlled by Simplorer

Hydraulics in SimplorerPump, 3-way valve, pipes, cylinder

Electronics in SimplorerMotor and control electronics

Control in SimplorerPID control for pump speed


机械臂分析案例

Courtesy of CADFEM Germany

Mechanical RBDFlexible arm, stress results

Control in SimplorerTwo-axis control


XX飞行器案例


系统仿真模型

舵偏(输入)

弹的坐标(输出)

基于3D仿真建立的降阶模型

基于Modelica语言的系统模型

舵偏动力学系统模型飞行轨迹

燃料量(输入)

燃料量


系统模型各部分功能

基于3D气动计算的相应面降阶模型：（气动力，气动力矩，舵扭矩）=f（舵偏，速度，攻角，滚转角）

基于3D计算的燃料消耗量与转动惯量关系降阶模型

受力、力矩=>加速度、角加速度

弹体坐标系=>地面坐标系

地面坐标系速度与姿态=>折合攻角与滚转角


气动降阶模型的生成建立普通的气动仿真流程

把要用的输入、输出参数设置成降阶模型输入输出参数

利用降阶模型生成工具重复运行仿真流程，计算所有采样点

根据采样点计算结果生成降阶模型

普通气动仿真流程

输入输出参数

降阶模型生成工具


攻角、滚转角与舵偏的参数化


飞行速度参数化


气动力等输出参数设置


输入与输出参数列表

7个输入量，10个输出量，共500个点


最终获得的函数关系（响应面）


正在进行的项目

电机泵

液压油进口

液压油出口

• 边界条件:

➢ 电机电源

➢ 泵的进出口压力

• 需要计算的:

➢ 液压油流量


关键问题----柱塞泵的ROM模型


Plan A

Twin Builder 环境

电机控制

电机ROM

(Maxwell)

泵的刚体动力学模块( RBD联合仿真)

单缸动态ROM(Fluent生成, 可能每个缸需要两个ROM对应不同的活塞运动方向，在Twin Builder里集成)

单缸动态ROM

单缸动态ROM

泵进出口的静态 ROM(Fluent 或CFX，用响应面ROM实现，气缸出口位置变化可参数化)

转速

扭矩

根据需求

根据需求


Plan B

Twin Builder 环境

电机控制

电机ROM

(Maxwell)

泵的刚体动力学模块( RBD联合仿真)

单缸动态ROM(直接采用Twin Builder内基于代码的元件模型，可使用模型库模型，也可用Modelica语言现开发)

泵进出口的静态 ROM(Fluent 或CFX，用响应面ROM实现，气缸出口位置变化可参数化)

转速

扭矩

根据需求

根据需求

单缸动态ROM

单缸动态ROM


现在的进展


目录

• ANSYS 系统仿真产品简介

• 系统仿真在产品设计过程中的应用



• ANSYS数字孪生在航空发动机上的应用


具备了高置信度仿真模型是否可模拟真实情况？


对真实的情况进行模拟

• 高置信度仿真模型——内部真实

• 真实的边界条件——外部真实

高置信度仿真模型真实的边界条件数字孪生+ =


保护性维护增值服务工程反馈

仿真平台

电机-泵系统数字孪生

形象的描述

仿真输出

将实物与它的数字挛生体在运行中连接！

工业物联网平台(PTC ThingWorx® )

大数据流大数据分析历史, 触发器

安全连接

输入数据

工作状态的电机-泵系统

Motor courtesy of Regal BeloitPump courtesy of Flowserve


ANSYS Digital Twin

ANSYS 数字孪生解决方案架构

ANSYSDigital Twin Connection

ANSYS Digital Twin Execution

Reduced OrderModels

Tools

Platforms

AppsHMI

3D Viz App

FMU’s

ANSYS SCADE

Asset

Sensors & Actuators

Smart Asset

Sensors & Actuators

Critical Controls &

HMI

Monitoring &

Optimization

Asset

Sensors & Actuators

Critical Controls &

HMI

Monitoring & Optimization

Edge-Deployed Simulation

Data & Analytics Platform


Experimental data

ROM updated with data from operations

Updated model pushed to DT

Updated responsesurface of output data

数字孪生载体与数据分析平台数字孪生模型与图表

数字孪生实施举例

仿真流程管理平台物理实物

数采系统

用户环境

双向连接

基于观察数据的新增仿真


目录

• ANSYS 系统仿真产品简介

• 系统仿真在产品设计过程中的应用





Relay Digital Twin

Controller

IoT

Relay

System Model


潜油泵

Variable Speed Drive

Power cable

Pump(s)

Protector(s)

Motor(s)

Gauge

Stage_Wear

ESP_Deviation

Stage_Design

Motor_Design

Rotordynamics

ESP_Transient ESP_Shaft

ESP_Electrical

ESP_Hydraulics

Pump_Deflection

Shaft_Seal

Protector_DynamicShaft_Failure

ESP_Structural

ESP_Motor

Pump_Thermal

Protector_Thermal

Motor_Thermal

Cable_Thermal

Stage_Washer

Stage_Interface

Stage_Erosion

Material_Properties

1D_Geometry

Tubing_Thermal

3

3

3

4

3

5

4

3

5

5

5

4

3

Motor_Deflection3

4

4

3

3

5

4

5

4

4

Pu

mp

Pro

tect

or

Mo

tor

Cab

le

VSD

THERMAL

HYDRAULIC

WEAR

STRUCTURAL

ELECTRICAL

VIBRATION

DATABASE

Component Models

4

5

https://www.sap.com/assetdetail/2018/06/3276ab9f-077d-0010-87a3-c30de2ffd8ff.html

https://www.sap.com/assetdetail/2018/06/3276ab9f-077d-0010-87a3-c30de2ffd8ff.html


感谢聆听！

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