致力于數字孿生體技術的研究與發展

通過解決方案和工程化應用造福人類

數字孿生體是現有或將有的物理實體對象的數字模型，通過實測、仿真和數據分析來實時感知、診斷、預測物理實體對象的狀態，通過優化和指令來調控物理實體對象的行為，通過相關數字模型間的相互學習來進化自身，同時改進利益相關方在物理實體對象生命周期內的決策。

通過數字孿生體模型，可以實現全面監控系統的關鍵參數，分析系統在非常規條件下的各種性能，如惡劣工作環境、存在加工誤差、沖擊載荷工況等。利用數字孿生體模型進行虛擬化測試，縮短了測試和分析的時間，降低了測試和分析的成本，并可以根據虛擬化測試結果優化試驗參數。因此建立機械產品關鍵零部件（如連桿）的數字孿生體模型，就具有十分重要的意義。

圖1為實現連桿數字孿生體模型的技術路線，主要分為載荷識別、模型降階和數字孿生體模型部署三部分。本文主要介紹了利用ANSYS Twin Builder和ANSYS Deployer軟件建立連桿數字孿生體模型并部署。在ANSYS Twin Builder中，集成了連桿載荷識別ROM和應力/變形場的Static ROM兩個降階模型，運行調試后編譯生成twin模型，并輸出twin文件。在ANSYS Deployer中，建立連桿數字孿生體模型并編譯輸出的twin文件和輸入應變csv文件，生成用于實時計算的可執行SDK文件夾。

圖1 連桿數字孿生體模型建立流程圖

連桿數字孿生模型生成

在ANSYS Twin Builder中，將載荷識別ROM輸出端和應力/變形場Static ROM輸入端進行連接，并設置載荷識別ROM輸入端接口，及應力/變形場Static ROM輸出端接口，最終連桿降階模型集成如下圖2所示。輸入連桿應變片貼片位置的測試應變數據后，通過該模型計算，可快速得到連桿整個模型的應力/變形結果。然后在ANSYS Twin Builder環境中，對該模型進行編譯生成twin文件，并輸出twin文件，如圖3所示。

圖2 連桿降階模型的集成

圖3 連桿降階模型生成twin文件

可執行SDK文件夾生成及運行

將輸出的twin文件和應變數據csv文件導入 ANSYS Deployer中，實際采集的測試應變csv文件塊（文件數據格式如圖5所示）的輸出端與twin文件模型輸入端對應連接，建立連桿數字孿生體模型如下圖4所示。經調試求解成功后，利用其Export Python App生成可執行的SDK文件夾，文件夾中包含的主要內容如下圖6所示。該文件夾通過命令行執行，可完全脫離有限元仿真環境，并獲得連桿現實場景中應力和變形分析計算的實時響應，如圖7和圖8所示。

圖4 建立連桿數字孿生體模型

圖5 應變數據csv文件數據格式

圖6 可執行SDK文件夾生成

圖7 運行中的SDK文件夾

圖8 可執行SDK文件夾運行輸出的連桿應力結果

小結

本文介紹了連桿數字孿生體模型的生成過程，以及在操作系統平臺上的部署方法：在ANSYS Twin Builder中集成連桿的降階模型，編譯后生成twin文件的過程；在ANSYS Deployer中生成可執行SDK文件夾，及SDK文件夾的執行過程。最終獲得的連桿數字孿生體模型完全脫離有限元仿真環境，在不同操作系統平臺上進行部署后，就可以根據連桿的實測應變，進行應力與變形分析的快速計算，從而實現了連桿結構數字孿生體的建立和應用。

 作 者 介 紹  

王永威，目前主要從事機械結構強度仿真分析，機械結構疲勞強度分析，結構載荷識別，數字孿生技術等方面的工作。對齒輪箱傳動系統及零部件的強度、疲勞強度、接觸分析有豐富的仿真分析和工程實踐經驗。

黃志新，博士，高級工程師，安世亞太北京子公司技術經理，數字孿生體實驗室專家，碩士研究生導師。近20年仿真技術應用、管理咨詢、數字孿生體研究經驗。承擔了5項省部級科研課題，編寫技術專著6本，發表論文20余篇。