В последнее время системное моделирование становится важной частью проектирования, помогая конструкторам перед разработкой каждой детали оценить, как работает все изделие в целом. Системные модели помогают инженерам проверять и подтверждать качество создаваемых продуктов, а также могут стать основой для цифровых двойников, позволяющих отслеживать характеристики изделий в реальных условиях эксплуатации.

Программный продукт ANSYS Twin Builder позволяет внедрять системное моделирование на всех этапах цикла разработки изделия. В целом, системные модели и цифровые двойники помогают организациям сократить время выхода продукта на рынок и сэкономить деньги как при плановом обслуживании, так и за счёт снижения количества гарантийных и страховых случаев, а также внеплановых остановок.

Что же такое «системное моделирование»?

Системное моделирование – это набор моделей, расчетов и алгоритмов, которые позволяют прогнозировать, как все части системы будут работать вместе.

При построении системной модели вам необходимо будет учесть различные физические процессы, происходящие в отдельных компонентах системы. За счет объединения моделей в одном расчёте обеспечивается высокая достоверность полученной системной модели.

Основная проблема при создании системных моделей состоит в том, что модели компонентов основаны на компьютерном моделировании физических процессов в трёхмерной постановке, и поэтому требуют значительного количества времени и вычислительных ресурсов для расчёта.

«Мы должны применять более изящные решения при использовании таких моделей, – отмечает Келли Морган (Kelly Morgan), ведущий инженер ANSYS по применению программного обеспечения. – Одним из таких решений является использование моделей сокращённой размерности (ROM – Reducer Order Model), которые позволяют рассчитывать системные модели практически в режиме реального времени».

Модели сокращенного порядка (ROM-модели) — это упрощенные версии 3D-моделей, сохраняющие важную информацию, необходимую для моделирования систем. Расчёт таких моделей с заданными входными параметрами может быть на несколько порядков быстрее, чем расчёт полноценной 3D-модели.

Это делает ROM-модели удобным для применения во многих областях: оптимизация методом численного эксперимента (DoE – Design of Experiments), построение системных моделей, создание цифровых двойников и приложений, работающих в режиме реального времени. Именно с использованием ROM-моделей Twin Builder может объединять в системных моделях стороннее программное обеспечение и 3D-модели физических процессов.

Создание ROM-модели

Первым шагом для построения системной модели является создание ROM-моделей всех компонентов системы. Для этого инженеры должны сначала собрать обучающие данные, которые отражают характеристики 3D-модели во всём пространстве ее рабочих параметров. Twin Builder использует эти данные для синтеза ROM-модели.

«Например, давайте представим, что я создаю тепловую ROM-модель батареи из 28 ячеек. – описывает процесс Морган. – Я включаю одну ячейку и посылаю ступенчатый импульс на вход. Затем, я рассчитываю тепловыделение. Повторив процесс для каждой ячейки (с отключенными остальными 27), я получу обучающие данные».

Благодаря изолированному характеру импульсных воздействий при формировании обучающих данных в этом примере, полученная ROM-модель может с высокой точностью прогнозировать тепловое состояние батареи для произвольных входных сигналов. Однако, ROM-модели ограничены пространством обучающих данных, на котором они построены. Поэтому важно охватить все рабочие состояния, которые может испытать моделируемая система и ее виртуальная копия.

Кроме того, при изменении трёхмерной модели обучающие данные теряют свою актуальность. Следовательно, требуется создание новой ROM-модели на основе новых обучающих данных, полученных для обновленной модели.

Создание системной модели

Для моделирования системы необходимо объединить ROM-модели, алгоритмы и другие физические данные в единую системную модель. Возвращаясь к рассмотренному примеру, к тепловой ROM-модели батареи нужно добавить физические соотношения между параметрами системы – вольт-амперную характеристику батареи.

Таким образом, для создания системной модели батареи требуются следующие шаги:

1. Разработка модели эквивалентной схемы (ECM – Equivalent Circuit Model) для получения вольт-амперных характеристик каждой ячейки.
2. Объединение ECM-моделей ячеек для формирования ECM-модели одного модуля из 28 ячеек.
3. Проведение гидрогазодинамических расчетов (CFD) для оценки теплового состояния батареи.
4. Формирование ROM-модели из CFD-расчетов.
5. Использование Twin Builder для объединения ROM-модели и ECM-модели модуля в двухстороннем связанном расчете.
6. Соединение отдельных модулей в единую модель всей батареи.

«Инженеры-электрики могут воспринимать системные модели как некий аналог схемотехнических моделей, в которых учитываются не только электрические токи, но и другие параметры из различных областей физики. – Говорит Морган. – Модель вашей системы может учитывать как электрические или тепловые величины, так и любые другие механические параметры».

Сферы применения системного моделирования и цифровых двойников

Подход, используемый для проведения системного моделирования, обеспечивает учёт всех физических и логических процессов, необходимых для представления реального изделия. Инженеры могут использовать данный подход для разработки продуктов, но его сфера применения этим не ограничена.

Системное моделирование может использоваться на протяжении всего жизненного цикла продукта. Объединив системную модель с датчиками на основе платформы Промышленного интернета вещей (IIoT – Industrial Internet of Things), мы получим цифровой двойник изделия.

Датчики собирают данные о реальном изделии, которые затем передаются в его цифровую версию. Такая цифровая копия позволяет дистанционно отслеживать, как работает реальное изделие. Результаты расчётов могут быть использованы для планирования эксплуатации, проведения опережающего обслуживания и оптимизации применения продукта.

И наконец, данные о характеристиках изделия, полученные с помощью цифрового двойника, могут быть отправлены обратно команде разработчиков и использованы для доработок продуктов прямо по месту эксплуатации или усовершенствования следующей версии продукта.

Чтобы узнать подробнее о том, как создать цифрового двойника батареи, ознакомьтесь с материалами вебинара (на английском языке): Developing Next-generation Batteries with 3D Physics and Systems Modeling and Simulation.

Источник: www.ansys.com
Автор: Shawn Wasserman