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工业4.0环境下的模拟仿真

对于使用软件进行模拟仿真,在工业3.0时代已经是很成熟的作法。作为仿真软件领域的巨头企业之一,ANSYS公司认为仿真技术的发展与工业体系发展的路线类似,也经过了几个时代:即模拟单物理场的仿真1.0、模拟多物理场的仿真2.0、可模拟全系统驱动整个产品研发的仿真3.0,以及可模拟整个产品全寿命周期情况的仿真4.0。而当前的仿真技术就处于仿真3.0时代,在未来的工业4.0体系下,仿真4.0则可能是支持工业发展的基础。

提到工业4.0就要提到所谓的“赛博物理系统”(CPS),而这其中非常重要的内容就是的“数字双胞胎”(Digital twin)。所谓的数字双胞胎是模拟产品从设计、生产直到最终成品的阶段,甚至要模拟产品在整个生命周期内的运行情况,模拟产品在现实环境中的行为,从而可以预测产品未来的潜在问题。这一手段可以将现实世界以数字化的方式表达出来,让产品制造企业可以有效利用数字化工具提升竞争力。

工业4.0环境下的模拟仿真

工业4.0环境下的模拟仿真

“数字双胞胎”不只是生成一个物体的数字模型,而是要把这个物体的整个运行环境和运行状态都要模拟出来,例如这条船和船下面的水和船周边的空气。

例如设计一架飞机,飞机上除机械结构以外,还有包括动力系统、飞控系统等在内的多个子系统,设计出来的飞机要经过各种实验,最终要在各种环境中运行。而“数字双胞胎”的概念,则是在设计真实飞机之前或同时,在虚拟的环境中也生成这样一架模拟的飞机,其中包括模拟了飞机的各种子系统,然后利用这架飞机的数字模型进行各系统的仿真实验,最终在一个数字化的虚拟环境中运行,以验证飞机及其各子系统在整个运营过程中是否有潜在的问题,可能会告诉你这个架飞机的哪个部分将要发生故障,以及如何维护等等。

这个数字双胞胎背后的核心技术是仿真,而仿真技术在未来已经不仅仅是驱动产品设计了,而是驱动了产品从设计、制造到运营、维护的整个流程。

虽然上述“数字双胞胎”的概念并不是ANSYS提出的,但ANSYS建立了一套平台,利用最新发布的ANSYS18系列软件可以实现这个未来的设想。这个平台有三大支柱:综合仿真、可以扩展解决方案、可扩展生态系统。

利用ANSYS18构建的平台,工程人员可以完成从概念设计到详细设计的连贯仿真,每种物理场包括力学仿真、流体仿真、电磁场仿真等,都可以利用不同的软件工具进行,最终结合在一起。据估计,在应用这种仿真平台的条件下,产品研发的软件总体应用成本减少50%,研发时间缩短37%,从而可以更高效的完成产品开发工作。

工业4.0环境下的模拟仿真

热学模拟——发动机进气道口的结冰状态仿真

工业4.0环境下的模拟仿真

流体力学模拟——机翼表面空气流动模拟

工业4.0环境下的模拟仿真

工业4.0环境下的模拟仿真

电磁场模拟——飞机机身雷击模拟。

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