如何创建数字双胞胎

资料来源:美国地质调查局Scott Haefner。公共领域。

当约瑟夫·施特劳斯、莱昂·莫塞夫和查尔斯·奥尔顿·埃利斯在1917年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，当它在1937年开放时，它是世界上最长、最高的吊桥。他们无法想象其他工程师有一天会创造一个数字双但这是工程师们在孩于工程在Ansys软件的帮助下完成。

创建金门大桥数字双胞胎的五个步骤

无论是创建数字版本的标志性桥梁或任何其他结构或系统，Ansys数字孪生工作流程是相同的。你需要一个干净的几何网格和解决，然后你创建一个降阶模型(ROM)然后通过Twin Builder分析ROM。

1.几何

Ozen的第一个挑战不仅仅是创造桥梁的几何形状，还有周围的景观。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)获得的区域地形几何图形合并。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。

“部分问题是几何形状。它不是为模拟而设计的，”考恩说。“清理是一项工作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工程公司还想展示一下Ansys的镶嵌网格技术，它自动将不同类型的网格与一般多面体元素连接起来。新的poly - hexore特性Ansys流利利用该技术用八叉六边形填充体区域，在边界层中保持高质量、分层的多棱镜网格，并用一般多面体单元共形连接两个网格。

考恩说:“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。”“多亏了Ansys Fluent网格划分，这是直接而有效的。”

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.这需要480万个poly - hexore元素和1450万个节点。

3.解决

elgandour说:“计算流体动力学(CFD)本质上是一个非线性问题，如果把它作为简单的层流问题或更复杂的湍流问题来解决，它可能会变得复杂。”“我们使用的模型有一个多面体六核网格，这是最新的网格技术之一。”

为了显示解决poly - hexore网格的准确性和速度，Ozen决定解决一个湍流模型(K-Epsilon，可实现)。

4.为数字双胞胎构建ROM

使用基于风矢量的实验设计(DOE)研究，为Twin Builder创建了功能模型(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

模拟完成后，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骤，并评估不同的结果，”刘说。“该脚本从一个网站读取过去两小时的数据，并在接下来的两小时中不断捕获这些数据，显示结果。”

数据以图表格式显示，ROM查看器提供了不同时间步长的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分钟才会改变一次，因为网站数据点每5分钟更新一次。

埃尔甘多尔说:“这个数字双胞胎的美妙之处在于它实用，但不涉及太多细节，所以大多数人都很容易理解。”“同时，这是一个复杂的CFD问题。”

Cowan表示:“Ozen Engineering团队认识到实时模拟为预测性维护和运营规划带来的强大功能。“我们将继续开发与物理原型硬件相结合的多物理物理数字双胞胎，以展示多功能功能。”

这些项目旨在便于携带，易于理解，并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程序。
• 一种双金属带材热电结构应用，预测变形、电势和焦耳加热温度作为驱动电流的函数。
• 预测磁场分布的静磁电感线圈应用。

Ozen Engineering还通过美国政府资助的研究经费，为无人机(UAV)部件的预测性维护建立先进的数字孪生模型。

有关创建数字双胞胎的更多信息，请下载白皮书:数字双胞胎:实现愿景．