如何从系统仿真中构建数字双胞胎

与Ansys Twin Builder工程师可以在开发周期的每一步使用系统模拟。

一般来说，系统模拟和数字双胞胎可以帮助组织加快推向市场的时间，并节省保修、保险、计划外停机和维护方面的资金。

什么是系统模拟?

系统仿真是模型、仿真和算法的集合，用于预测系统中的所有部分将如何协同工作。

系统模拟帮助汽车行业确保一切
汽车的各个部件是协同工作的。

在构建系统模型时，您将需要考虑不同的物理情况。模型的保真度将提高，因为这些物理耦合到一个模拟。

创建系统仿真的挑战在于，预测每个部件性能的3D模型需要大量的时间和计算资源来解决。

Ansys首席应用工程师凯利•摩根(Kelly Morgan)表示:“我们必须更加优雅地使用这些模型。一种解决方案是使用降阶模型(ROM)，它可以帮助系统级模拟接近实时运行。”

rom是3D模型的简化，它保留了用于系统模拟的基本信息。为给定输入解ROM比解3D模型快几个数量级。

这使得rom成为许多应用程序的理想选择，如实验设计(DOE)，系统模拟，数字双胞胎和实时应用程序的运行时生成。Twin Builder可以在系统仿真中连接第三方工具和3D模型降阶模型(ROM)．

如何建立降阶模型

创建系统模拟的第一步是创建与系统关联的所有rom。为了创建ROM，工程师必须首先收集训练数据，这些数据可以捕获3D模型在其操作空间内的性能。Twin Builder使用这些训练数据来合成ROM。

为了获取该电池的训练数据，您需要提供
每个单元的步进输入，所有其他单元都关闭。

“例如，假设我正在创建一个28芯电池的热只读存储器，”摩根说。“我打开一个细胞，给它一个步进输入。然后我模拟热量的产生。一旦我对每个细胞重复这个过程，其他27个细胞关闭，我就会得到我的训练数据。”

由于本例中训练数据的步进输入特性，这个ROM可以对任何给定输入估计高保真模型的结果。然而，rom受到收集到的训练数据的限制。因此，捕获系统模拟或数字双胞胎可能经历的完整操作空间非常重要。

此外，如果模型发生变化，那么训练数据将不再有效。因此，必须从更新的模型中收集的训练数据创建一个新的ROM。

如何构建系统仿真

要构建系统仿真，您必须开始将降阶模型、算法和其他物理数据链接到系统模型中。例如，现在您已经有了电池的热ROM，您将需要向系统模型添加更多物理特性—例如电池内的电流和电压关系。

电池的系统级模型

如何建立电池的系统模型

1. 为每个电池建立电流/电压关系的等效电路模型(ECM)。
2. 将ECM细胞组合成ECM模块。
3. 对电池的热特性进行计算流体动力学(CFD)模拟。
4. 从CFD模拟中提取一个降阶模型。
5. 使用Ansys Twin Builder将ROM和ECM模块耦合成双向多物理场模拟。
6. 将单个电池模块连接成一个完全耦合的电池组，以模拟整个电池。

“电气工程师可以把系统模型想象成电路模型，但当我们谈论系统时，有一个多领域的方面，”摩根说。“您的系统模型可能具有电气或热方面以及其他机械配置。”

系统仿真和数字双胞胎的应用

用于创建系统模拟的系统级方法确保它包含表示现实世界同伴所需的所有逻辑。工程师可以用它来设计产品，但它并不需要就此结束。

系统模拟和数字双胞胎在设计之外也有应用。

系统模拟可以在产品的整个生命周期中使用。例如，它可以被包装成一个数字双胞胎，连接工业物联网(IIoT)平台上的传感器。

传感器可以收集有关系统模拟数字双胞胎所代表的产品的真实数据。然后，这些数据可以从模拟中输入数字双胞胎，以查看现实世界产品的表现。数字双胞胎的结果可用于调度、预测性维护和优化应用。

最后，由数字双胞胎捕获的性能数据可以发送回产品的设计团队。团队可以使用这些数据对该领域的产品进行修复，或者对产品的下一个迭代进行改进。

要详细了解如何从模拟电池构建数字双胞胎，请观看:利用三维物理和系统建模与仿真开发下一代电池．