數(shù)字雙胞胎之間的聯(lián)接紐帶——True-Load

2018-05-08 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

“數(shù)字雙胞胎”(Digital Twins)這一概念誕生于數(shù)字工業(yè)時(shí)代,由GE提出,近幾年在國內(nèi)外廣泛流傳使用。一些仿真技術(shù)人員,采用傳統(tǒng)的仿真技術(shù)觀點(diǎn)對(duì)“數(shù)字雙胞胎”作出了比較詳盡的闡釋,實(shí)際上,用傳統(tǒng)仿真技術(shù)來會(huì)意Digital Twins,涵蓋了Digital,并未真正或完全涵蓋Twins,具體來說沒有重點(diǎn)落實(shí)Twins之間溝通的紐帶,從某種意義上看,傳統(tǒng)仿真技術(shù)層面的Digital Twins實(shí)際上是Digital Brother。我們來看看如下GE關(guān)于Digital Twins的定義:

What are Digital Twins exactly?

Fundamentally, it is the combination of data and intelligencethat represent the structure, context and behavior of a physical system of anytype, offering an interface that allows one tounderstand past and present operation, and make predictions about the future. These are very powerful digital objects that can be used tooptimize the physical world, significantly improving operational performanceand business processes.

顯然, Digital Twins “數(shù)字雙胞胎”肩負(fù)著重要的使命-了解過去、感知現(xiàn)在、預(yù)測未來,這就注定了雙胞胎之間必須具有高度的相似性/關(guān)聯(lián)性,那么構(gòu)造出與實(shí)物等效的數(shù)字雙胞胎將是其中極其重要的環(huán)節(jié)。

數(shù)字雙胞胎之間的聯(lián)接紐帶——True-Load前沿制造技術(shù)圖片1

在此,我們從結(jié)構(gòu)性能的測試和分析來看Digital Twins之間的紐帶。眾所皆知,FEA分析結(jié)構(gòu)的性能(變形、應(yīng)力、模態(tài)、耐久等)時(shí),模型的準(zhǔn)確性直接影響著分析結(jié)果的可信度,而載荷、模態(tài)及其他模型參數(shù)是保證實(shí)物樣機(jī)和數(shù)字模型一致與否的關(guān)鍵因素,雙胞胎之間的關(guān)聯(lián)就需要從這些關(guān)鍵因素方面著手。

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實(shí)際上,工程人員在進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)也往往存在一些痛點(diǎn),比如在規(guī)劃試驗(yàn)時(shí)不易搞清楚哪些位置是需要貼應(yīng)變片的位置,需要貼應(yīng)變片的位置卻因結(jié)構(gòu)或工況原因無法執(zhí)行,載荷測量沒有應(yīng)變測量容易實(shí)現(xiàn),一些商業(yè)化工具可以幫助我們達(dá)成數(shù)字雙胞胎之間的互相關(guān)聯(lián)和相輔相成。

載荷識(shí)別/ True-Load

True-Load載荷識(shí)別應(yīng)用于不易確定FEA載荷的情況,其前提是假定模型是正確的,在方便貼應(yīng)變片的位置貼應(yīng)變片,根據(jù)測量的應(yīng)變識(shí)別出用于FEA分析的載荷。

模態(tài)識(shí)別

對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu),通過局部測得的應(yīng)變,可識(shí)別出復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模態(tài)。

模型參數(shù)校正

采用試驗(yàn)測量點(diǎn)的振型和FEA分析得到的模態(tài)振型一致化作為條件,對(duì)分析模型的參數(shù)進(jìn)行確定,往往限于結(jié)構(gòu)簡單容易通過某些點(diǎn)確定振型的情況。

True-Load載荷識(shí)別與測試預(yù)分析

仿真分析和試驗(yàn)測量是檢驗(yàn)產(chǎn)品性能的兩種手段,長期以來,兩者間的協(xié)作模式大多表現(xiàn)在各自所得結(jié)果的比對(duì)方面。而很多時(shí)候,仿真人員對(duì)于自己分析結(jié)果的可信與否并沒有滿滿的自信,一旦試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果間呈現(xiàn)比較大的偏差,仿真分析與試驗(yàn)測量對(duì)于具體工程問題的指導(dǎo)就不易發(fā)揮“齊頭共進(jìn)”的作用。True-Load作為測試預(yù)分析及載荷識(shí)別的工具,依據(jù)應(yīng)變片測量出的應(yīng)變歷程決定有限元模型的載荷和整體結(jié)構(gòu)受力的時(shí)間歷程time-histories,在溝通仿真分析和試驗(yàn)測量方面具有不可忽視的作用。

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True-Load是基于有限元模型和計(jì)算結(jié)果的分析工具,主要功能包括測試預(yù)分析和載荷識(shí)別分析。測試預(yù)分析決定如何有效地布局應(yīng)變片的位置和方位;載荷識(shí)別分析則根據(jù)應(yīng)變片測量出的應(yīng)變時(shí)間歷程擬合反推出結(jié)構(gòu)件有限元模型的載荷歷程。載荷歷程確定后,有限元分析師就可以計(jì)算出準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞熱點(diǎn)位置并據(jù)此優(yōu)化設(shè)計(jì)。使用True-Load決定的有限元載荷可保證仿真值和測量值的RMS誤差不超過2%,并將以前需要數(shù)月才能完成的載荷識(shí)別工作縮短成數(shù)小時(shí)甚至數(shù)分鐘的工作量。適用于實(shí)體系統(tǒng)完成后的部件可靠性分析與優(yōu)化。根據(jù)識(shí)別出的載荷歷程,工程師可以回到有限元軟件中準(zhǔn)確求解,也可以在True-Load中以線性疊加法計(jì)算結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度及疲勞壽命。

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True-Load/Pre-Test測試預(yù)分析模塊:基于單位載荷作用下FEA模型的結(jié)果,確定測試中應(yīng)變片的合適位置。
True-Load/Post-Test載荷識(shí)別模塊:根據(jù)測試得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)及FEA模型,計(jì)算出結(jié)構(gòu)的外載荷歷程,外載荷類型包括集中載荷、分布載荷、彎矩、加速度以及溫度。
True-Load/True-QSE準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算模塊:計(jì)算并查看結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和變形歷程。
SafeDesign for True-Load疲勞耐久分析模塊:計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

True Load數(shù)學(xué)理論

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True Load應(yīng)用舉例

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True-Load工作流如下:

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基于True-Load載荷識(shí)別的測試與分析結(jié)果高度相關(guān):

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True Load for ANSYS讓ANSYS的功用更大程度地得以發(fā)揮

True-Load是一款將測試和仿真相互結(jié)合的軟件。用戶可以根據(jù)FEA結(jié)果,通過True-Load分析來指導(dǎo)測試,同時(shí)還可以根據(jù)測試結(jié)果來反推工況載荷。基于True-Load的后處理功能,用戶可以根據(jù)測試結(jié)果擴(kuò)展提取FEA模型中任意節(jié)點(diǎn)的響應(yīng),還可以提供疲勞計(jì)算的輸入條件。True-Load廣泛的應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、車床、風(fēng)力發(fā)電、航空等領(lǐng)域。
對(duì)于傳統(tǒng)的載荷或應(yīng)變測試,我們面臨著測試設(shè)備昂貴、周期較長、測試和仿真脫節(jié)等問題。此外在測試中我們只能得到有限個(gè)測點(diǎn)的結(jié)果數(shù)據(jù),無法擴(kuò)展到整個(gè)模型,應(yīng)變測試中對(duì)于應(yīng)變片的測試位置,只能依靠試探或者以往的經(jīng)驗(yàn)。這些問題都在一定程度上增加了測試的成本,降低了測試的精度。
True-Load軟件很好的解決了上述問題。工程師首先建立FEA模型,根據(jù)實(shí)際情況對(duì)模型進(jìn)行單位多工況加載并分析,True-Load基于FEA的分析結(jié)果可以查找出應(yīng)變測試的最佳測試點(diǎn),測試結(jié)束后將測試應(yīng)變結(jié)果導(dǎo)入True-Load中進(jìn)行載荷計(jì)算,反推出FEA模型中對(duì)應(yīng)工況下的真實(shí)載荷,所求解的載荷可用于后續(xù)的有限元計(jì)算,也可以在True-Load中直接進(jìn)行后處理,可以根據(jù)測試應(yīng)變將結(jié)果擴(kuò)展到模型的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上。
True-Load軟件在仿真和測試之間架起了一座橋梁,工程師可以通過有限的測試,借助FEA和True-Load軟件擴(kuò)展更多的結(jié)果信息,改變了仿真與測試脫節(jié),數(shù)據(jù)不對(duì)等的問題,實(shí)現(xiàn)了讓仿真更真,測試更準(zhǔn),成本更低。

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