如何创建数字孪生

资料来源:美国地质调查局Scott Haefner。公共领域。

1917年，当约瑟夫·施特劳斯(Joseph Strauss)、莱昂·莫塞夫(Leon Moisseiff)和查尔斯·奥尔顿·埃利斯(Charles Alton Ellis)设计旧金山金门大桥时，工程师们可能知道它将成为一座世界闻名的桥梁。毕竟，当它于1937年开放时，它是世界上最长、最高的悬索桥。他们无法想象有一天其他工程师会创造出数字双但那是工程师们的工作孩于工程都是在Ansys软件的帮助下完成的。万博

打造金门大桥数字孪生体的五个步骤

无论是创建标志性桥梁的数字版本还是任何其他结构或系统，Ansys数字孪生工作流程都是相同的。万博你需要一个干净的几何体来网格化和求解，然后你创建一个降阶模型并通过Twin Builder对该ROM进行分析。

1.几何

Ozen的第一个挑战是不仅要创造桥梁的几何形状，还要创造周围景观的几何形状。该公司使用了来自GrabCAD社区的开放几何图形，并将其与通过Ansys ACT工具(称为Topographic STL maker ACT)获得的该地区的地形几何图形合并。万博ACT是一个易于使用的开发环境，它使用XML和IronPython编程语言，使非专业用户能够为高级工作流创建自定义应用程序。

“问题的一部分是几何形状。它不是为模拟而建造的，”考恩说。“清理工作是他们的工作万博Ansys SpaceClaim3D建模器，而且效果很好。”

2.啮合

除了演示如何创建数字双胞胎，Ozen Engineering还想炫耀一下万博Ansys的镶嵌网格技术，自动将不同类型的网格与一般多面体元素连接起来。的新Poly-Hexcore功能万博Ansys流利利用该技术用八叉六边形填充体块区域，在边界层中保持一个高质量的分层多面体网格，并用一般多面体元素将两个网格共形连接起来。

“桥梁的大小需要一个复杂的网格，以便在模拟中捕捉所有不同的尺度，”考恩说。“由于Ansys Fl万博uent网格划分，这是直接和高效的。”

我们说的网到底有多大?流体模型尺寸为7 670米x 6 150米x 720米^3.，它需要480万个Poly-Hexcore元素和1450万个节点。

3.解决

Elghandour说:“计算流体动力学(CFD)本质上是一个非线性问题，如果把它当作简单的层流问题或更复杂的湍流问题来解决，它可能会变得更复杂。”“我们使用的模型具有多面体六边形网格，这是网格划分的最新技术之一。”

为了展示求解Poly-Hexcore网格的准确性和速度，Ozen决定求解一个湍流模型(K-Epsilon，可实现)。

4.为数字孪生体构建ROM

利用基于风矢量的实验设计(DOE)研究，为Twin Builder创建了一个功能模型(FMU)。“我们研究了风向以及典型速度条件的最小和最大范围，”Elghandour说。

5.通过Twin Builder实现ROM

一旦模拟完成，Ozen工程师提取ROM文件用于Twin Builder，以预测使用不同输入时的结果。

Ozen Engineering在Twin Builder中创建了一个数据连接器，它使用Python脚本通过HTTP连接到国家海洋和大气管理局网站获取实时更新的风速和风向数据。该数据被绑定到Twin Builder项目中，通过ROM进行评估。

“你可以在模拟过程中选择任何时间步，并评估不同的结果，”刘说。“该脚本从网站读取过去两个小时的数据，并在接下来的两个小时内持续捕获数据，并显示结果。”

数据以图表格式呈现，ROM查看器在不同的时间步长提供结果数据的可视化显示。例如，桥和塔上的压力分布可以近乎实时地可视化。实时数据每15秒发送一次，但每5分钟才更改一次，因为网站数据点每5分钟更新一次。

“这个数字双胞胎的美妙之处在于它很实用，但没有太多的细节，所以大多数人都很容易理解，”埃尔甘多尔说。“同时，这也是一个复杂的CFD问题。”

Cowan说:“Ozen Engineering的团队认识到实时仿真为预测性维护和运营计划带来的力量。我们将继续开发与物理原型硬件相结合的多物理场数字孪生体，以展示其多功能。”

这些项目旨在便于携带，易于理解，并且易于使用手持设备进行验证。他们的原型清单包括:

• 预测翼型升力的风洞流体动力学应用。
• 一种双金属带材热电结构应用，可预测变形、电势和焦耳加热温度作为驱动电流的函数。
• 一种用于预测磁场分布的静磁电感线圈。

Ozen工程公司还通过美国政府资助的研究经费，为无人驾驶飞行器(UAV)部件的预测性维护建立了先进的数字孪生模型。

有关创建数字孪生的更多信息，请下载白皮书:数字双胞胎:实现愿景。