概述
數(shù)字孿生（Digital Twin）最早由美國國防部提出，用于航空航天飛行器的健康維護與保障。其核心思想為通過數(shù)學方法建立系統(tǒng)中關(guān)鍵部件、關(guān)鍵數(shù)據(jù)流路徑和各個檢測點傳感器等器件的數(shù)學模型，并將數(shù)學模型根據(jù)系統(tǒng)邏輯進行連接生成數(shù)字化仿真模型，通過外部傳感器采集真實系統(tǒng)載荷量通過有線或無線傳輸將信號注入仿真模型，驅(qū)動仿真模型與真實系統(tǒng)同時工作，從而運維人員可以在數(shù)字仿真模型中很直觀的觀察到真實系統(tǒng)無法測量或難以測量的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。
數(shù)字孿生的產(chǎn)生極大的方便了系統(tǒng)監(jiān)測人員的運營成本，且可以快速發(fā)現(xiàn)與找出運行問題，合理預測器件使用壽命，節(jié)約成本提高效率。隨著計算機技術(shù)發(fā)展與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的更新，數(shù)字孿生被推廣到以航空航天、軌道車輛、自動化生產(chǎn)等領(lǐng)域為主的各類工業(yè)與生產(chǎn)中，如何針對不同領(lǐng)域的器件進行合理化等效并生成數(shù)字樣機，如何提高數(shù)字孿生的仿真速度與計算精度，這些都是數(shù)字孿生亟待解決的瓶頸問題。
基于ANSYS平臺的數(shù)字孿生實現(xiàn)方法
作為一家以有限元仿真而著名的美國ANSYS公司，早在幾年前其提出了以有限元仿真為基礎(chǔ)，系統(tǒng)級仿真為最終目標的數(shù)字孿生仿真方案。方案中采用有限元、有限體積法等數(shù)值分析手段，ROM、LTi、SVD、ECE等模型降階方法和SML、VHDL、Modelica等多種器件輔助建模語言為主，以Twin Builder平臺為依托，從不同的角度實現(xiàn)數(shù)字樣機的可靠性。
數(shù)值仿真工具
ANSYS數(shù)值仿真工具涵蓋流體、電磁、熱、結(jié)構(gòu)等多種物理域。數(shù)值仿真作為部件性能分析最為有效的分析工具，一直以來受全球工程師青睞。其多樣性的本構(gòu)關(guān)系，求解方法和誤差控制等技術(shù)保證了計算精度，同時也讓設(shè)計工程師可以更加全面的分析不同物理場下的不同問題。
模型降階技術(shù)
模型降階技術(shù)為核心的數(shù)字樣機建模手段。數(shù)值仿真方法以犧牲部件模型的空間離散規(guī)模為代價，從而提高了計算精度。當離散規(guī)模即網(wǎng)格量過大時，計算中的內(nèi)存使用量和計算時間都會成倍增長，要將如此大規(guī)模計算量的數(shù)值分析作為以速度和精度為衡量指標的數(shù)字孿生樣機并不現(xiàn)實。進而，ANSYS提出了以ROM（Reduced Order Method）降階模型技術(shù)為核心的一維仿真方法。ROM的核心思想為應用LTI、SVD和DOE等方法將三維和二維有限元模型降階為一維數(shù)字樣機模型，降階的過程中考慮非線性因素對結(jié)果造成的影響，并采用機器學習等方法進行結(jié)果的內(nèi)插與外推，客戶只需提供部分有限元結(jié)果也能保證整體計算精度。
輔助建模語言
以數(shù)值分析方法和模型降階技術(shù)為主的數(shù)字樣機搭建方法很好的解決了計算精度與計算速度之間的矛盾，但降階過程仍然需要一定時間，且降階過程只能針對單物理域有限元分析。那么對于系統(tǒng)中一般集總器件、多物理域器件和測量裝置該如何建模？ANSYS提出了以開放語言為輔助的建模方式。
ANSYS提供C++、Spice、VHDLAMS和Modelica的第三方語言接口，用戶可以根據(jù)需要快速搭建所需器件，無需任何有限元分析與模型降階，并可以通過標準結(jié)果將自建模型與降階模型相連接，實現(xiàn)更加全面的分析與測量。
Twin Builder數(shù)字孿生平臺
ANSYS Twin Builder平臺為數(shù)字孿生分析的最終載體，它擁有ANSYS Simplorer所有功能，并增加適用數(shù)字孿生的FMI接口、IIOT接口和建模輔助語言。用戶可以在Twin Builder上完成所有數(shù)字樣機的系統(tǒng)搭建并通過信號采集進行實時分析，也可以將搭建好的平臺文件生成SDK分發(fā)給更加完善的數(shù)字孿生平臺進行調(diào)用并輸出結(jié)果。
ANSYS數(shù)字孿生樣例
下圖為采用ANSYS Twin Builder搭建的典型機電控制數(shù)字孿生仿真案例。案例從直流電池包放電出發(fā)，經(jīng)過基于Twin Builder自帶電路搭建的三相逆變電路變?yōu)榻涣麟姡涣麟姙殡姍C供電并在電機轉(zhuǎn)軸上帶有非線性力矩的負載。該系統(tǒng)中，直流電源為Fluent的LTI技術(shù)提取的ROM文件，IGBT發(fā)熱與節(jié)溫反饋模型采用ICEPAK搭建并降階，電機繞組三相電纜寄生參數(shù)與串擾分析采用Q3D，電機模型應用Maxwell搭建并抽取ECE，電機非線性負載采用ANSYS RBD剛體動力學模型建立。另外，逆變器IGBT采用開環(huán)控制，控制邏輯為C語言建立的控制系統(tǒng)或者外部MATLAB控制模塊。
