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CAE技术在数字孪生中的作用和可行性!

数字孪生技术贯穿实体产品的整个生命周期,因此在产品构思、设计、制造、验证、交付或使用的任何阶段都可以访问;同时,无论是从事一线运营、现场管理还是后台协调。各行各业也会亲身体验,所以数字孪生会被很多人理解和认可。在笔者看来,这主要是因为它的名字悦耳而响亮。

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CAE技术在车辆中的应用

数字孪生其实是一个老生常谈的问题,从计算机诞生以来就一直在等待人类去发现和实施的技术。很多行业都建立了所谓的数字双胞胎,但是和本文提到的数字双胞胎还是有一些区别的,因为本文描述的是解决数字双胞胎的终极问题,而不仅仅是披着华丽外衣的半成品,或者猫和米奇问题。

数字发电核心技术

在笔者看来,数字孪生的核心技术可以分为三类:3D模型重构技术(本文暂定为:A技术)、3D模型验证技术(本文暂定为:B技术)和模型数据传输技术(本文暂定为:C技术)。3D模型重建技术包括CAD建模、VR展示等;数据传输技术包括传感器、数字主线、大数据、流程管理等。虽然笔者对这两类技术都有涉猎,但并不擅长,所以就不丑了。3D模型验证技术包括CAE建模、数值算法实现、数据处理等,是本文的重点。

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模型重建VR显示技术

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数字孪生核心技术图

数字孪生中三类核心技术之间的关系是:A通过C将数据传输给B进行计算,B通过C将数据传输给A进行校正,往复运算,从头到尾,不开始也不结束,直到产品。因此,一个完整的数字孪生应该包括ABC三类技术。从技术应用和市场发展来看,技术A和技术C基本已经大规模落地,所以数字孪生是可行的,但技术B就难说了。为什么?

B 技术虽然发展了 20 到 30 年,但仍远远落后于其他两类技术。主要原因是物理世界的复杂性和多样性导致人类一事无成,计算机计算能力的限制使我们无法做到最好。本文将计算机计算能力称为“硬伤”,将物理世界的复杂性和多样性称为“软伤”。

先说一下“硬伤”:虽然电脑的计算能力不够,但还是可以计算出大量的数据。之所以不够,是因为我们想获取实时数据,而不是一年后实现,有时等不及;如果我们获得的延迟数据在一定时间内在可接受的范围内,这个“硬”“伤”也可以忽略不计,比如10分钟、半小时、一天等。有时我们还是可以等待的。笔者虽然从事“虚拟模拟”工作,但不能玩“虚拟”,巨魔可以自行搜索相关信息,算力不足是个现实问题。量子计算机虽然可以解决有缺陷的问题,但还是有些“虚拟”的!

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超级计算机 - 中国天河

此外,“软伤”:“软伤”是本文的重点。物理世界的复杂性和多样性客观存在,几乎每一个产品都处于力场、流场、热场、电磁场和多场耦合环境中。只是在三维空间的描述,不涉及量子力学、神经学等所谓的“形而上学问题”。

那么究竟什么是“软伤”呢?也就是我们在创造一个产品的时候,并没有深入考虑一些物理环境,我们都是满足一定误差范围的产品。对于这些错误,谁能说一定没有问题呢?通过多年的观察和经验可以看出,严重的产品事故往往是由小问题,或者这些不起眼的错误引起的。如果我们在产品交付之前弄清楚所有物理问题是否可行?我想很多工程师会否认,这就是他们迫不及待的原因。因此,“软伤”是一个难以解决的问题。数字孪生技术的提出,本质上就是为了解决这些“软伤”问题,因为任何产品都有一定程度的“软伤”。

通俗地说,数字孪生中的老二就是老大的备胎,因为老二是虚拟的东西,你可以随意蹂躏它,而不必为此承担严重后果。

还说“软伤”:“软伤”的客观存在不再解释,那么“软伤”能解决吗?可以肯定的是,在一定范围内是可以解决的!因为人类的“软实力”足够强大!摸着石头过河。那么有什么意义呢?触碰!怎么摸,摸什么?这也是本文的症结所在:用数字孪生“触摸”现实世界!治疗“软伤”需要多方位,不能孤立地解决(不能孤立地解决,所以有人提出了数字孪生)。在“软伤”的治疗中,不仅要考虑“硬伤”的问题,还要考虑“A术”和“C术”的问题。"

再说“软伤”:以高架桥段为例。“软伤”是客观存在的。例如,CAE 工程师可以下意识地想到:

我们很难判断是否有超载车辆经过这座桥,因为有时很难衡量车辆是否超载;

桥上车辆通行快慢也难以约束,不确定性太多;

高架桥是否有磨损等损坏?不容易确定损坏发生在哪里;

高架桥中的混凝土和钢筋是否老化?哪些老化也难以追踪;

暴雨、风暴、闪电、地震、季节变化等自然力对高架桥的实时影响难以检测;

即使有路人用肉眼发现高架桥有裂缝,也很难向维修部门报告。

7、8、9等问题就不一一列举了。总之建立模型后怎么验证,可以肯定的是,某个高架桥段可能在某个时候倒塌了。如果后期有时间,作者可以搭建这座桥的简化数字孪生模型。

也有说是“软伤”补偿:高架桥的“软伤”问题其实是CAE技术中力学、热学等物理场建模问题,也是CAE中负载跟踪等工况问题技术,这也在数字孪生中。“A技术”和“C技术”反馈问题。其实这些问题都是可以解决的。下面介绍高架桥段物理场建模的可行性。当然,这里只解释了一些问题。实际问题还是太复杂,篇幅不够。

CAE 建模要点

高架桥段主要包括桥面,实际上还包括桥柱、基础等部分,以及桥面上的人和车辆。如果按照实际情况建立物理模型,那就是在吹嘘数字孪生能解决问题,因为即使有了量子计算机,也不可能计算出所有的东西。上面提到的人、车、桥面、桥柱、地基等真实情况都可以通过CAE技术进行物理建模。未提及的组件实际上可以通过 CAE 建模。这些其他部分是从技术角度来看的。从这个角度看,无非是数量的问题,与本质关系不大,就不赘述了。

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倒塌的高架桥

如何利用CAE技术对高架桥的物理现实进行CAE建模?

下面我们来谈谈四种CAD模型元素,即点、线、面、体,因为这些元素是构建任何CAD模型的基础,而CAD模型是CAE模型的基础。您已经看到了更多的 CAD 模型。但这里所说的点线面不能只是CAD中的点线面,因为CAD中的四要素一般用于计算产品的长度、面积、体积、重量等几何和物理量信息,这与 CAE 相差甚远。中需要的点、线、多边形四个元素。CAE中模型的四个元素是点元、线元、面元和体积元。它看起来和CAD很像,但有本质的区别,甚至是外观不同,或者说是从具体的区别上有所不同。

上述五种主要实体模型,包括人、车、桥面、桥柱、基础,如何建立点元、线元、面元和体元?如果是CAD建模,很直接,相对容易,所见即所得,桥上的人只需要建立人的3D模型,所以男人就是男人,女人就是女人,胖瘦等等.但CAE不同。我们在建模的时候需要考虑人对路面的影响以及路面对人的影响,所以有时候人可以建立一个点元素——一个质点——来体现人的重量;有时人们可以建立一个Surface element——承压面——反映脚下部区域的压力。所以,人们应该建立什么样的CAE模型,需要考虑其应用背景。当然,可以建立各种情况,然后在不同的场景中使用,但是时间太长了——“黄花菜凉了”。

根据工程思想,CAE模型的建立是按照难易程度来进行的。下面介绍五种主要实体模型的CAE建模内容:

人体CAE物理模型:由于目前高架桥上的人体主要考虑高架桥上的表面压力,一般只需要建立点元素,并明确不同人的体重和重心。由于一个人的重量一般只有75公斤左右,与几百吨的高架桥相比还是比较小的,所以用质点代替的误差在几公斤以内是可以接受的。也考虑羽毛。

汽车的CAE物理模型:汽车类似于人,但稍微复杂一些,所以汽车可以是点元素的延伸。例如,可以制作汽车的大致轮廓和轮胎与路面接触的焦点,这样汽车的模型就可以是点元和面元的综合。

桥面CAE物理模型:以桥面为核心,不支持点元估计。桥面应该建在什么模型上?至少需要线元素和表面元素,包括局部体素。需要线单元,因为它们的计算量很小,可以快速评估承载变形。需要表面元素是因为它们的计算量适中,并且可以快速评估一定的强度分布。由于局部区域的强度、损坏、疲劳和断裂条件,因此需要体素。需要注意。当然,具体应该建立的CAE模型需要进一步确认,也就是说桥面的建模将是线元、面元和体素的组合。

桥柱CAE物理模型:桥柱与桥面的情况类似。当然,在某些情况下,桥柱的模型可能为0,因为可以用CAE中的载荷条件代替,行业中经常使用。桥面的桥柱支撑效果大概是傻了,桥柱不能建模。

基础CAE物理模型:基础和桥柱的CAE物理模型几乎相同。

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CAE技术三要素

5大实体模型按照以上思路进行建模,基本上物理模型描述清楚,然后对各自的机械连接关系进行进一步处理,然后就可以进行实际计算了。考虑到高架桥段交付前后的差异,以及实际使用过程的变化,还需要对5大实体模型进行参数化设计,通过数据变量接收各种荷载信息并重新计算,实时重新配置和发展。这种情况是可以实现的,本文不再详述。

CAE物理模型的创建过程虽然看似抽象,但对于一线CAE工程师来说并非遥不可及建立模型后怎么验证,是每天都需要解决的现实问题。我们所需要的只是安顿下来,一一完成各种技术细节和内容。

对于一个完整的数字孪生,完成五个主要实体模型的CAE物理基础建模只是上述“B技术”中的一个环节,其他“B技术”也可以按照上述CAE技术进行想法。脉冲,如模型连接问题、静动态双重计算的载荷传递问题、流体和固体力学计算的耦合场问题、岩心结果数据的提取和后处理等,将这里不再详细描述。数字孪生中的“A技术”和“C技术”也需要考虑。如果“B技术”完成了各项建设工作,只需要传递和接受其他两项技术的信息即可。"

总结

从上面的描述可以看出,数字孪生技术是可行的,最坏的情况是有一个可行的基础。假设 3D 模型重构与显示技术和模型数据传感与传输技术(其实有各种应用场景)没有大的障碍,数字孪生技术的难点在于 3D 模型的仿真验证,而仿真验证是CAE技术的应用。CAE技术虽然不完善,但可以实现各种计算。就像本文提到的高架桥问题,其数字孪生的建立几乎可以完全实现。在数字孪生的信息反馈下,保障人类生命安全。

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未来的数字孪生

就像大佬们说的:未来的产品交付一定是真模和虚模的双重交付,这样数字孪生中的“老二”才能为“老大”提供全方位的保障,确保“大一”在生死循环中被缩减。对人类的伤害最大程度地为人类生活服务。我们一起工作吧!