数字化孪生服务平台构建详情分析

数字孪生（DigitalTwin）最开始由美国国防部明确提出，用以航天航空飞行器的健康维护保养与保障。其核心内容为根据数学原理创建系统软件中核心部件、重要数据流分析相对路径和每个检测点传感器等元器件的数学模型，并将数学模型依据系统软件逻辑性展开连接转化成数字化模拟仿真模型，根据外界传感器收集真正系统软件载荷量根据有线或无线数据传输将数据信号引入模拟仿真模型，驱动模拟仿真模型与真正系统软件同时工作，进而运维管理工作人员能够在数字模拟仿真模型中很形象化的查看到真正系统软件无法精确测量或无法精确测量的实时监测数据信息。
数字孪生的产生很大程度的便捷了系统软件检测工作人员的经营成本，且能够迅速发觉与找到运作难题，有效预测分析器件使用期限，节约成本提高工作效率。伴随着电子信息技术发展与物联网的升级，数字孪生被推广到以航天航空、路轨车辆、自动化生产等领域主导的各类工业与生产制造中，如何对于不同领域的器件展开合理化等效并转化成数字样品，如何提高数字孪生的模拟仿真速度与精度，这些全是数字孪生急需解决的关键问题。
一、基于ANSYS平台的数字孪生完成方式
做为一家以有限元模拟仿真而知名的美国ANSYS公司，早在两年前其提出了以有限元模拟仿真为基础，系统级模拟仿真为终极目标的数字孪生模拟仿真计划方案。计划方案中选用有限元、有限体积法等数值分析方式，ROM、LTi、SVD、ECE等模型降阶方式 和SML、VHDL、Modelica等多样元器件辅助建模语言主导，以TwinBuilder平台为依托，从不同的视角完成数字样品的可靠性。
1.1标值仿真工具
ANSYS标值仿真工具包含流体、电磁、热、构造等多种物理域。标值模拟仿真做为构件特性剖析更为合理的分析工具，一直以来受全世界技术工程师亲睐。其多元性的本构关系，求出方式和偏差操纵等技术确保了精度，同时也让设计方案技术工程师能够更为全方位的剖析不同物理场下的不同难题。

1.2 模型降阶技术
模型降阶技术为关键的数字样品建模方式。标值模拟仿真方式以放弃构件模型的空间离散规模为成本，进而提升了精度。当离散规模即网格过多时，计算中的运行内存使用量和计算时间都是成倍增加，要将这般规模性计算量的数值计算方法做为以速率和精密度为考量指标值的数字孪生样品并不现实。从而，ANSYS明确提出了以ROM（ReducedOrderMethod）降阶模型技术为关键的一维模拟仿真方式 。ROM的核心内容为运用LTI、SVD和DOE等方式 将三维和二维有限元模型降阶为一维数字样品模型，降阶的过程中考虑到非线性要素对结果导致的影响，并选用深度学习等方式 展开结果的内插与外推，顾客只需出示一部分有限元结果就可以确保总体精度。

1.3 辅助建模语言
以数值分析方式 和模型降阶技术主导的数字样品构建方式 非常好的解决了精度与处理速度之间的分歧，但降阶过程依然需要一定时间，且降阶过程只能针对单物理域有限元。那么针对系统软件中一般集总元器件、多物理域元器件和精确测量设备该怎样建模？ANSYS明确提出了以对外开放语言为辅助的建模方法。
ANSYS提供C++、Spice、VHDLAMS和Modelica的第三方语言接口，客户能够 依据需要迅速构建所需元器件，不用任何有限元与模型降阶，并能够 根据规范结果将自建模型与降阶模型相互连接，完成更为全方位的剖析与精确测量。

二、TwinBuilder数字孪生平台
ANSYSTwinBuilder平台为数字孪生剖析的最终媒介，它有着ANSYSSimplorer全部功能，并增加可用数字孪生的FMI接口、IIOT接口和建模辅助语言。客户能够 在TwinBuilder上进行全部数字样品的系统软件构建并根据数据信号收集展开实时剖析，还可以将构建好的平台文档转化成SDK分发给更加健全的数字孪生平台展开调用并输出结果。

三、ANSYS数字孪生示例
下图为选用ANSYSTwinBuilder构建的典型性机电工程操纵数字孪生模拟仿真案例。案例从直流电池包充放电出发，经过基于TwinBuilder内置电源电路构建的三相逆变电路变成交流电流，交流电流为电机供电系统并在电动机转轴上带有非线性力矩的负荷。该系统软件中，直流电源为Fluent的LTI技术获取的ROM文档，IGBT发热与节温反馈模型选用ICEPAK构建并降阶，电机绕组三相电缆线寄生参数与串扰剖析选用Q3D，电动机模型运用Maxwell构建并提取ECE，电动机离散系统负荷选用ANSYSRBD刚体动力学模型创建。此外，逆变器IGBT选用开环控制，操纵逻辑性为C语言创建的自动控制系统或是外部MATLAB模块。