2024ANSYS風電機組數(shù)字孿生與建模仿真技術(shù)方案

風電機組數(shù)字孿生與建模仿真技術(shù)方案內(nèi)容提要1 2 ANSYS3 聚合物理分析數(shù)字化轉(zhuǎn)型的目的聚合物理分析HowAdvancedAnalyticsCanBenefitInfrastructureCapitalPlanning(April2018)ANSYS基于仿真的的數(shù)字孿生數(shù)字孿生是客觀事物在虛擬世界的鏡像?PhysicalAsset(In-service)

DigitalTwin(VirtualReplica)輸入 輸出

基于經(jīng)驗/理論公式的模型基于數(shù)據(jù)的模型基于三維幾何建模的模型基于仿真的模型實際設(shè)備傳感器實際設(shè)備傳感器視頻:數(shù)字孿生價值HowDigitalTwinshelpourcustomers增加最大化收益增加最大化收益達到成本管理的底線達到成本管理的底線獲得獲得/保持競爭優(yōu)勢Simulation-basedDigitalTwins+IIoTandDataAnalyticsIIoTSimulation-basedDigitalTwins+IIoTandDataAnalytics異常檢測和警報故障預(yù)測異常檢測和警報故障預(yù)測數(shù)據(jù)挖掘?qū)崟r監(jiān)控遠程診斷預(yù)診斷下一代設(shè)計基于仿真的“數(shù)字孿生”實現(xiàn)高階數(shù)據(jù)分析ConnectingtheReal“Thing”..anditsDigitalTwin..InOperation!Motor-PumpinOperation

IndustrialIoTPlatform(PTCThingWorx)BigDataStreamingBigDataTriggers

Motor-PumpDigitalTwinPlatformSimulationPlatformData

SecurityConnectivity

InputsPreventiveMaintenanceValueAddedServicesFeedbacktoEngineering

SimulationOutputs數(shù)字雙胞胎的實際應(yīng)用MODEL-BASEDENTERPRISE&MODEL-BASEDENTERPRISE&SYSTEMSENGINEERING設(shè)計決策

DigitalSignaturesDigitalSignaturesIoTASSETSECOSYSTEMSVirtualSensors運行決策壽命性能診斷優(yōu)化重量效率魯棒性PAGE11PAGE11實現(xiàn)數(shù)字孿生價值的方案所必須的能力構(gòu)建精確、基于物理的仿真模型驗證和優(yōu)化仿真模型導(dǎo)出TWIN模型并與IIoT平臺連接進行運營部署DCDCEmbeddedSoftwareLV-BatteryPowerElectronicsElectromechanicsSystemVehicleDynamicsFMU嵌入式軟件方程傳遞函數(shù)速度傳感器電路狀態(tài)機+V3DROM控制邏輯/電路電磁部件液壓/氣動模型動力學(xué)模型剎車盤模型集成3DROM,FMUs,VHDL-AMS,Modelica等模型在一個多學(xué)科聯(lián)合仿真環(huán)境里系統(tǒng)一維模型仿真在系統(tǒng)設(shè)計的早期構(gòu)建系統(tǒng)一維模型并驗證Modelica、VHDL-AMS系統(tǒng)一維模型仿真在系統(tǒng)設(shè)計的早期構(gòu)建系統(tǒng)一維模型并驗證Modelica、VHDL-AMS系統(tǒng)一維與三維混系統(tǒng)一維與三維混合模型仿真通過特有的三維模型降階技術(shù)把三維模型引入系統(tǒng)仿真通過因為三維模型構(gòu)建精度更高的系統(tǒng)仿真系統(tǒng)模型用于虛擬試驗系統(tǒng)模型用于虛擬試驗把系統(tǒng)模型部署到測試環(huán)境用于半實物試驗構(gòu)建虛擬傳感器觀測不易通過傳感器采集的數(shù)據(jù)或場狀態(tài)進行現(xiàn)實難以模擬的惡劣工況測試測試及優(yōu)化系統(tǒng)運行性能虛擬模型用于設(shè)備運營維護把系統(tǒng)模型部署到運行環(huán)境提升運營維護通過虛擬傳感器觀測不易通過傳感器采集的數(shù)據(jù)或場狀態(tài)對設(shè)備的壽命等進行預(yù)測性維護排故方案預(yù)演Data-basedROMTwinBuilder數(shù)字孿生構(gòu)架與及部署流程Data-basedROMTestDataSoftware,ControlModelsTestDataSystemModel

系統(tǒng)仿真平臺TwinModelforOfflineCompute+ +ROM Solver

Export

X-in-LoopLTI&LPV

Static

Dynamic

Digital

FMUforSimulationworkflowsSystemLibraries

ROMExtractionCapabilities

TwinModelforcloud/edgedeploymentValidated3DPhysicsModels DigitalTwinPartnersValidated3DPhysicsModelsDigitalTwinPartners從設(shè)計到運維風力發(fā)電面臨的挑戰(zhàn)HugerotorHugerotordimensions >220mdiameter >30m/sHighercut-outwindspeed>30m/sHighercut-outwindspeedNacellethermalreliability electricequipmenttemperaturePoweroutput Poweroutput +12perturbineNoise <45dB <200metersWindfarmsitinginproximitytourbanareas<200metersWindfarmsitinginproximitytourbanareas>30yearsExtendedlife+$250kbladereplacementMaintenancecost>30yearsExtendedlife+$250kbladereplacementMaintenancecost…面對復(fù)雜的多學(xué)科系統(tǒng)HowdoestheHowdoesthesystemperform?ActuatorsSafetyRequirementsElectronicControlOperationalProfilesEmbeddedSoftwareSensors

OperatingConditionsAnsys工程挑戰(zhàn) 核心能力 案例輸出疲勞損傷與各種生產(chǎn)制度有關(guān)計劃外停機時間和維護成本非最佳操作和偏航失調(diào)

算熱點應(yīng)力虛擬傳感器虛擬場景模擬

結(jié)構(gòu)響應(yīng)的連續(xù)和瞬時監(jiān)測實時預(yù)測剩余使用壽命更好地安排檢查和維護窗口性能指標優(yōu)化\h\hContactUs內(nèi)容提要1 ANSYS數(shù)字孿生平臺與技術(shù)路線ANSYS數(shù)字孿生平臺與技術(shù)路線3 TwinBuilder三大主要功能部署系統(tǒng)預(yù)測維護將孿生體部署到IIoT或邊緣設(shè)備

構(gòu)建構(gòu)建系統(tǒng)模型驗證系統(tǒng)驗證與優(yōu)化

建立基于物理的精準數(shù)字模型驗證和優(yōu)化系統(tǒng)模型TwinBuilder技術(shù)能力：快速構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型建模階段的優(yōu)勢與能力支持多物理、多語言、高保真模型

支持多種建模語言支持ModelicaVHDL-AMSC/CSPICE等語言可擴展的多學(xué)科專業(yè)模型庫電氣,與第三方工具(包含1D)集成支持FMI/FMU與ANSYS3D和第三方Exchange&co-simulation3D降階模型生成與集成通過ROMDynamicStaticand)實現(xiàn)3D物理模型的簡化與嵌入式軟件集成SCADESuite,SCADEDisplay等TwinBuilder技術(shù)能力：驗證和優(yōu)化數(shù)字孿生體模型驗證階段優(yōu)化與能力輕松集成與驗證測試數(shù)據(jù)

集成后處理的多域仿真快速人機界面原型設(shè)計系統(tǒng)驗證和優(yōu)化支持DoE(VBA/Python)XiL集成(SiL在環(huán)工作流程TwinBuilder技術(shù)能力：生成與部署數(shù)字孿生體部署階段優(yōu)勢與能力運維優(yōu)化預(yù)測性維護部署

快速連接到受支持的IIoT平臺配置連接器以連接到IIoTANSYSSAP與RockwellAutomationandAzure合作數(shù)字孿生導(dǎo)出和部署生成的數(shù)字孿生模型從Builder數(shù)字孿生體（.twin文件）利用AnsysTwinDeployer輕松部署數(shù)字雙胞胎Data-basedROMTwinBuilder數(shù)字孿生構(gòu)架與及部署流程Data-basedROMTestDataSoftware,ControlModelsTestDataSystemModel

系統(tǒng)仿真平臺TwinModelforOfflineCompute+ +ROM Solver

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FMUforSimulationworkflowsSystemLibraries

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TwinModelforcloud/edgedeploymentValidated3DPhysicsModels DigitalTwinPartnersValidated3DPhysicsModelsDigitalTwinPartners通過運行SDK把Twin模型部署到IIoT云平臺部署階段的好處和功能SDK很方便與IIoT集成，通過SDK運行模型已經(jīng)在SAPLeonardoIoT、PTCThingWorxPredix和阿里巴巴等平臺部署

智能機械物理原型

異常情況傳感器數(shù)據(jù)應(yīng)用校正動作傳感器數(shù)據(jù)

IoT平臺分析洞察

試驗數(shù)字孿生運行于云上數(shù)字孿生運行于云上ANSYS平臺虛擬原型Product利用AnsysTwinDeployer輕松部署數(shù)字雙胞胎ProductCloudTwinDeployerEdgeCloudTwinDeployerEdgeOffline容易將twin部署到云、edge或離線環(huán)境中使用通過漏洞檢查確保雙胞胎的安全性編寫器:組合多個FMUs和輕松創(chuàng)建新的孿生模型內(nèi)容提要風電數(shù)字孿生應(yīng)用案例價值介紹1ANSYS風電數(shù)字孿生應(yīng)用案例價值介紹EDRMedesogroup–AHappyEliteChannelPartnerin1986About100highlydedicatedemployeesof31M€in2017800inallindustriesLocalteamsintheNordics,BalticsandUK項目背景客戶疑問Ansys是否具備提供系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生的能力？如何實現(xiàn)各部門之間的協(xié)調(diào)合作（流體，結(jié)構(gòu)，嵌入式軟件…）？數(shù)字孿生被視為一個戰(zhàn)略目標公司高層注意到市場與技術(shù)等方面的轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)。運維部門的需求數(shù)字孿生轉(zhuǎn)變運維模式，降低運維成本，提高產(chǎn)能，設(shè)計優(yōu)化迭代系統(tǒng)仿真&數(shù)字孿生的價值A(chǔ)ssetinAssetinOperationDigitalTwinIoTPlatform開發(fā)基于仿真的數(shù)字孿生解決方案與真實物理設(shè)備連接通過降階技術(shù)傳感高精度仿真模型運行模擬比實時更快實施方案:建立風電站的DTW（風力發(fā)電數(shù)字孿生）模型風速&風向風速&風向疲勞損壞?電力輸出?仿真分析!高保真模型高保真模型數(shù)字孿生ROM系統(tǒng)分針螺距=葉片旋轉(zhuǎn)葉片螺旋角–運維優(yōu)化螺距=葉片旋轉(zhuǎn)TSR–葉尖速比TSR–葉尖速比(葉尖速度與風速之比)有效轉(zhuǎn)矩Windspeed&direction轉(zhuǎn)子軸上的反作用負荷StructuralanalysisFluidFlowSimulation有效轉(zhuǎn)矩Windspeed&direction轉(zhuǎn)子軸上的反作用負荷StructuralanalysisFluidFlowSimulationElectro-magneticanalysis

發(fā)電機_電壓/電流 基座焊縫/螺栓的疲基座焊縫/螺栓的疲勞破壞/應(yīng)力應(yīng)變流程圖–流體設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計，機電設(shè)計，嵌入式軟件…系統(tǒng)整合Currentsweep

PowerWindAngle葉片螺旋角WindVelocity

發(fā)電性能評測發(fā)電性能評測結(jié)構(gòu)負載

Positionsweep瞬態(tài)位移

電流/電壓發(fā)電機機械結(jié)構(gòu)維護應(yīng)變/發(fā)電機機械結(jié)構(gòu)維護使用現(xiàn)有的仿真模型（需要有限元技術(shù)儲備）ROM-有關(guān)輸入和輸出創(chuàng)建ROMs風場模擬:CFDROM(responsesurface)

瞬態(tài)振動:SPMROM

靜態(tài)應(yīng)變:ROM(responsesurface)嵌入式軟件：SCADE

電磁仿真:MaxwellROM(ECE,sweepoverpositions)WindConditionsTransientResponseFatigueDamage創(chuàng)建WindConditionsTransientResponseFatigueDamage風場流動模擬–CFDROMInput: 風場(速度風向)-葉片螺旋角(幾何結(jié)構(gòu))Output: -轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)矩-塔上的荷載(力、力矩)ReducedOrderModelwill:Correlatetheincomingwindconditionstoreactionsontherotoraxle(forcesandmoments).建立風場條件轉(zhuǎn)子軸上映射關(guān)系(力和力矩)。WindConditionsAvailableElectricalPower創(chuàng)建電磁WindConditionsAvailableElectricalPower電磁–MaxwellROMInput: -轉(zhuǎn)軸扭矩(隨時間變化)Output柵極電壓(隨時間變化)(隨時間變化)內(nèi)部電路參數(shù)etc.ReducedOrderModelwill:建立時變的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機輸出到電網(wǎng)功率(currentandvoltage)的映射關(guān)系(customerssystem).WindConditionsTransientResponseFatigueDamage創(chuàng)建瞬態(tài)振動WindConditionsTransientResponseFatigueDamage瞬態(tài)振動–DynamicROMInput: 塔的受力(隨時間變化)-塔身力矩(隨時間變化)Output:-塔身的位移(隨時間變化)ReducedOrderModelwill:Capturethedynamicvibrationsinthetowerduetothechangingwindconditions.捕捉塔中由于風向變化而產(chǎn)生的動態(tài)振動。WindConditionsTransientResponseFatigueDamageWindConditionsTransientResponseFatigueDamage靜態(tài)應(yīng)力分析–FMUROMInput: -(隨時間變化)Output:-特定位置的應(yīng)力變化(例如在焊接中)-損壞風險和維護需求ReducedOrderModelwill:Calculatethetimevaryingdisplacementsandstressesatthebaseofthetower.Tobeusedforassessmentofthefatiguedamageinthewelds/bolts.計算塔基座上時變的位移和應(yīng)力。用于評估焊接/螺栓的疲勞損傷在AnsysWorkbench平臺創(chuàng)建DX-ROM(FMU格式)StaticStructural(FEM)GeometryParameterStudyDX-ROM—生成響應(yīng)面(建立輸入、輸出參數(shù)之間的關(guān)系)InputsOutputsDesignofExperiments ResponseSurfaceTableofDesignPointsEachrowisonesimulationTableofDesignPointsEachrowisonesimulation創(chuàng)建DX-ROM(以FMU的格式導(dǎo)入到TwinBuilder中)InputDisplacementsOutputInputDisplacementsOutputStresses嵌入式軟件通過FMU導(dǎo)出控制算法（SiL）SCADE–控件和嵌入式軟件Input: -風速風向轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,葉片螺旋角Kp,Ki,KdTSR,AlarmLevel,etc.Output:-葉片螺旋角TSRAlarm,etc.ReducedOrderModelwill:Controlthepitchangleoftherotorbladesdependingontheincomingwindspeed,toobtainanoptimalTSRvalue.根據(jù)傳入風速控制動葉螺距角，得到最優(yōu)TSR值。

InSCADESuite應(yīng)用TwinBuilder搭建多學(xué)科系統(tǒng)模型應(yīng)用TwinBuilder搭建多學(xué)科系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)子速度控制反饋轉(zhuǎn)子速度控制反饋TSRTSR定位點WindspeedWinddirectionWindspeedWinddirectionWindFluidFlowSimulationsMaxwellOutputWindFluidFlowSimulationsMaxwellOutputfromgenerator系統(tǒng)仿真–應(yīng)變仿真–結(jié)構(gòu)設(shè)計團隊Wind

FluidFlow

Analysis

Structural(Stress)AnalysisWindC onditioFluidFlowSimulationsSystemModel&EmbeddedSWWindC onditioFluidFlowSimulationsSystemModel&EmbeddedSW數(shù)字孿生–預(yù)測與維護–運維服務(wù)團隊GE的Haliade?150-6MW海上風力機數(shù)字孿生與預(yù)測維護

核心挑戰(zhàn):預(yù)測與各種生產(chǎn)制度和控制措施相關(guān)的疲勞成本避免計劃外停機，降低維護成本優(yōu)化操作流程，限制偏航失調(diào)這些挑戰(zhàn)涉及復(fù)雜的多學(xué)科模擬仿真：建立精度和計算時間匹配的多物理系統(tǒng)模型用真實的運行數(shù)據(jù)對模型和控制策略進行驗證、優(yōu)化和標定實現(xiàn)模型與運行中的實際設(shè)備連接風力發(fā)電數(shù)字孿生部署流程ActualAssetin

Data

IndustrialIoTPlatformBigDataStreamingBigDataAnalyticsHistory,TriggersSecurityCon