Zlepšete své simulace pomocí modelů redukovaného řádu a digitálních dvojčat

Zlepšete své simulace pomocí modelů redukovaného řádu a digitálních dvojčat

V dynamické oblasti inženýrských simulací zůstává dosažení efektivity a přesnosti neustálou výzvou. Ansys Twin Builder nabízí robustní řešení díky své schopnosti vytvářet, nasazovat a spravovat hybridní digitální dvojčata, která kombinují fyziku a data pro přesnější modelování fyzikálních systémů. Složité požadavky na simulace s vysokou přesností však často vytvářejí výpočetní překážky a vyžadují rozsáhlé časové a finanční zdroje. Zde nastupují redukovaného modely (ROM) jako technika, která mění pravidla hry a nově definuje přístup k simulacím a digitálním dvojčatům.

ROM jsou v podstatě zjednodušené komplexní modely, které zachycují chování zdrojových modelů, takže inženýři a konstruktéři mohou rychle studovat dominantní účinky systému s využitím minimálních výpočetních zdrojů. ROM se staly populárními ve vývoji výrobků s požadavky trhu na kratší návrhové cykly, které umožňují vyrábět kvalitnější výrobky.

Twin Builder využívá ROM ke snížení výpočetní náročnosti při zachování přesnosti, což umožňuje vývojovým a konstrukčním týmům výrazně urychlit inovace. Prozkoumejme základní koncepty ROM, jejich výhody a způsob, jakým může integrace Twin Builderu a ROM optimalizovat vaše pracovní postupy.

Zjednodušení přesného modelování 

Zjednodušeně řečeno, redukované modely (ROM) představují zjednodušené verze složitých, vysoce přesných modelů. Tyto modely zachycují podstatu svých složitějších protějšků a umožňují inženýrům a konstruktérům efektivně zkoumat primární charakteristiky systému, přičemž šetří výpočetní zdroje.

Rostoucí význam ROM v odvětví vývoje výrobků lze přičíst tlaku na společnosti, aby splnily požadavky trhu. Tyto požadavky vyžadují zkrácení návrhových cyklů při zachování výroby výrobků špičkové kvality.

Twin Builder se spojuje s multifyzikální simulací Ansysu a poskytuje detaily 3D simulací jako ROM, aby bylo možné rychleji vytvářet přesné a efektivní modely na úrovni systému. Twin Builder může například používat ROM vytvořené z produktů Ansys pro konstrukci, tekutiny, elektromagnetiku a polovodiče k modelování složitých systémů, včetně mechanických sestav, elektromagnetických pohonů a strojů, parazitních obvodů a kabelů, tepelných sítí a integrity signálu.

ROM lze také vytvořit v programu Ansys Workbench a snadno je importovat do programu Twin Builder. Kromě toho Twin Builder vytváří ROM, které nejsou závislé na řešiteli. To znamená, že ROM lze vytvořit jakýmkoli nástrojem, včetně nástrojů třetích stran, a poté je importovat do programu Twin Builder, pokud mají trénovaná data požadovaný formát. Pro Twin Builder to vyžaduje, aby ROM byly importovány nebo exportovány jako funkční makety (FMU). Jednotky FMU používají otevřený a na nástroji nezávislý standard pro výměnu modelů mezi různými simulačními nástroji.

Společná simulace s 3D fyzikálními řešiči zachovává plnou přesnost analýzy konečných prvků (FEA) a počítačovou mechaniku tekutin (CFD) pro modelování proudění, mechanických sestav s tuhými a pružnými tělesy a elektrických strojů a akčních členů. To vám umožní zkrátit návrhové a vývojové cykly při zachování přesnosti a vysoké věrnosti simulací, což zajistí, že si vaše výrobky zachovají špičkovou kvalitu.

Obrázek č. 1 Konstruktéři a inženýři mohou pomocí programu Ansys Fluent vytvořit model redukovaného řádu (ROM) zmapováním modelu odezvové plochy.

Zrychlení a vylepšení simulace

Díky potenciálu urychlit simulace – obvykle 10 až 100 krát - představují ROM neocenitelný nástroj, jako je návrh experimentů (DoE) a studie parametrů. ROM, hladce integrované do Twin Builderu, umožňují generování aplikací v reálném čase, čímž zvyšují rychlost odezvy systému. Kromě toho ROM drasticky minimalizují požadavky na úložiště a podporují opakované použití ověřených 3D fyzikálních modelů, což dále posiluje jejich vliv v inženýrství i mimo něj.

Mezi hlavní výhody ROM patří jejich schopnost zvýšit efektivitu, poskytovat předpovědi v reálném čase a optimalizovat zdroje, jak je uvedeno níže:

• Efektivita: ROM výrazně snižují výpočetní nároky, což umožňuje rychlejší simulace a analýzu dat v reálném čase. To urychluje vývoj a nasazení digitálních dvojčat a podporuje rychlejší rozhodování a řešení problémů.
• Předpovědi v reálném čase: ROM umožňují provádět fyzikální předpovědi v reálném čase v rámci digitálního dvojčete. Tím se zvyšuje přesnost a rychlost reakce digitálního dvojčete, které se tak stává spolehlivějším nástrojem pro monitorování a řízení fyzikálních systémů.
• Optimalizace zdrojů: zjednodušením složitých modelů při zachování přesnosti optimalizují využití výpočetních zdrojů. To snižuje náklady a zpřístupňuje technologii digitálních dvojčat širšímu spektru aplikací a průmyslových odvětví.

Obrázek č. 2 Ansys Fluent vyhodnocuje složité systémy s redukovaným modelem (ROM) a zkoumá alternativy návrhu. U výměníku tepla s kaskádovým prouděním poskytuje funkce ROM řešení pro každý návrhový bod již za pouhou sekundu, zatímco úplná simulace by mohla trvat více než hodiny.

Použití digitálního dvojčete v praxi 

Stejně jako samotná simulace přinášejí digitální dvojčata a redukované modely (ROM) užitek široké škále průmyslových odvětví, včetně automobilového a leteckého průmyslu, zdravotnictví, průmyslových zařízení a mnoha dalších. Abychom ukázali, jak mohou Twin Builder a ROM pozitivně ovlivnit pracovní postupy v těchto odvětvích, prozkoumejme jako příklad údržbu výměníků tepla.

Výměníky tepla se používají v mnoha průmyslových odvětvích, od potravinářského a nápojového průmyslu až po chladírenský, farmaceutický a chemický průmysl. Nemožnost předvídat a plánovat údržbu výměníků tepla však představuje problém, který vede k poruchám zařízení, zpožděním a dalším nepříjemnostem ve výrobě.

V těchto případech nabízí Ansys řešení pomocí Twin Builderu, Ansys Fluentu a ROM, a to prostřednictvím následujících nástrojů:

• Ustálený aerotermický model ve Fluentu (s přibližně 6 miliony buněk).
• Statická ROM (s 16 návrhovými body).
• Posouzení tloušťky uhličitanu vápenatého v prostředí Fluent.
• Možnost exportu a nasazení digitálního dvojčete do platformy internetu věcí (IoT).

Statické ROM jsou modely, které předpovídají řešení pomocí simulace ustáleného stavu pro určení optimálních návrhových parametrů a provozních podmínek systému. ROM se obvykle trénují ze simulačních dat. Robustní síť s téměř 6 miliony  prvků zajišťuje vysoce přesné výsledky. Stejně tak sestavení DoE s 16 návrhovými body podporuje přesnou analýzu různých vstupních hodnot a v tomto příkladu každý návrhový bod odpovídá simulaci, která bude spuštěna v programu Fluent.

Obrázek č. 3 Digitální dvojčata umožňují prediktivní údržbu, která přináší úspory nákladů a optimalizaci provozu.

Modelovací nástroje Fluentu umožňují přesně simulovat vícefázové proudění, včetně proudění plyn-kapalina, kapalina-kapalina, plyn-pevná látka, proudění částic, a dokonce i modelování diskrétních prvků (DEM). V tomto případě použití vícefázového proudění umožňuje analyzovat a předpovídat tloušťku uhličitanu vápenatého a jeho případné hromadění ve výměníku tepla.

Nasazením digitálních dvojčat s nástrojem Twin Builder může tento přehled rozšířit o monitorování v reálném čase. Například při nasazení digitálního dvojčete na platformu IoT bude dostávat vstupy ze skutečného zařízení prostřednictvím senzorů. To umožňuje digitálnímu dvojčeti předpovídat výkon, získávat aktuální stav zařízení a plnit všechny další úlohy, k nimž bylo navrženo, a to vše v reálném čase.

Obrázek č. 4 Ansys Twin Builder lze snadno propojit s platformou internetu věcí (IoT) a odesílat a přijímat provozní data.

Snadnější přijetí digitální transformace

Redukované modely (ROM) jsou nepostradatelným přínosem na cestě k úspěšné digitalizaci díky své schopnosti fyzikální předpovědi v reálném čase a zpřesnění vašeho digitálního dvojčete. To nejen zefektivňuje složité procesy, ale také poskytuje kritické poznatky a efektivitu potřebnou k úspěchu v digitálním věku.

Využitím síly ROM můžete podpořit inovace, zlepšit rozhodování, a nakonec se stát lídrem ve vyvíjejícím se prostředí techniky a technologií.

Chcete-li se dozvědět více o tom, jak mohou digitální dvojčata a ROM zlepšit vaše pracovní postupy, podívejte se na bezplatný webinář na vyžádání: Zlepšete simulaci pomocí modelů redukovaného modelu s využitím nástroje Ansys Twin Builder.

Chcete-li prozkoumat nástroj Twin Builder, vyžádejte si bezplatnou zkušební verzi.