多域系統仿真的案例
Twin-Builder—系統級多物理域數字孿生平臺
Twin Builder是ANSYS公司系統仿真業務的核心產品，是一款跨學科多領域系統仿真軟件和數字孿生平臺。能夠實現復雜系統的建模、仿真和驗證，基于IIoT物聯網平臺對數字孿生體進行集成、部署與運行，在完成復雜系統功能、性能的驗證和優化的同時，縮短開發時間和降低研發成本，并能夠用于故障診斷，系統預測性維護，基于獲得的運行數據來改進新產品等。
產品介紹
多物理域多語言建模與仿真
Twin Builder支持以多種方式實現多物理域系統模型集成，能實現電力電子、數字和模擬控制、流動與傳熱、動力學、液壓等復雜系統的建模仿真。具備Modelica、VHDL-AMS、SPICE、C/C++等多種建模語言與模型庫；具備與不同專業學科設計與分析軟件的接口，可實現多物理域系統聯合仿真；具備結構、流體、電磁、熱等3D有限元模型降階功能，建立降階模型，用于與1D模型進行快速聯合仿真；通過標準開放接口FMI與第三方工具進行系統集成；可實現與嵌入式軟件設計開發平臺ANSYS SCADE集成。
三維模型降階
Twin Builder應用模型降階技術將三維仿真模型降階為一維物理原型級模型，與其他系統模型進行無縫集成，實現兼顧精度和效率的系統仿真，并支持實時仿真。Twin Builder與ANSYS其他場仿真軟件的接口，使三維模型降階的操作更為便捷。
Twin Builder模型降階模塊可根據用戶需求，生成各類降階模型，包括靜態、動態降階模型，線性、非線性降階模型，同時集成降階模型的仿真系統可實時、高效的輸出被研究對象的流體、結構、磁等物理場信息。
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Twin Builder是ANSYS公司系統仿真單元的核心產品，是一款功能強大的跨學科多領域的系統仿真軟件和數字孿生平臺。能夠做到統領建模、仿真和驗證，并與IIoT物聯網平臺集成、部署與運行數字孿生體。在Twin Builder的支持下，能夠幫助用戶研究復雜系統的功能與性能，驗證與優化設計，縮減開發時間和降低研發成本，能夠用于故障診斷，系統預測性維護，并獲得運行數據來改進新產品。
產品介紹
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多物理域多語言建模與仿真
Twin Builder支持以多種方式實現多物理域系統模型集成，能實現電力電子、數字和模擬控制、流動與傳熱、動力學、液壓等復雜系統的建模仿真。具備Modelica、VHDL-AMS、SPICE、C/C++等多種建模語言與模型庫；具備與不同專業學科設計與分析軟件的接口，可實現多物理域系統聯合仿真；具備結構、流體、電磁、熱等3D有限元模型降階功能，建立降階模型，用于與1D模型進行快速聯合仿真；通過標準開放接口FMI與第三方工具進行系統集成；可實現與嵌入式軟件設計開發平臺ANSYS SCADE集成。
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三維模型降階
Twin Builder應用模型降階技術將三維仿真降階為一維的物理原型級的模型，與其他系統模型進行無縫集成，支持實時仿真。Twin Builder可與ANSYS其他場仿真軟件進行直接接口，操作便捷。
Twin Builder模型降階模塊可根據用戶需求，生成各類降階模型，包括靜態、動態降階模型，線性、非線性降階模型，輸出接口數據、輸出場數據降階模型。
展開 Twin Builder—系統級多物理域數字孿生平臺
Twin Builder是ANSYS公司系統仿真單元的核心產品，是一款專業的跨學科多領域系統仿真軟件和數字孿生平臺。能夠做到統領建模、仿真和驗證，并與IIoT物聯網平臺集成、部署與運行數字孿生體。在Twin Builder的支持下，能夠幫助用戶研究復雜系統的功能與性能，驗證與優化設計，縮減開發時間和降低研發成本，能夠用于故障診斷，系統預測性維護，并獲得運行數據來改進新產品。
產品介紹
?? 多物理域多語言建模與仿真
Twin Builder支持以多種方式實現多物理域系統模型集成，能實現電力電子、數字和模擬控制、流動與傳熱、動力學、液壓等復雜系統的建模仿真。
具備Modelica、VHDL-AMS、SPICE、C/C++等多種建模語言與模型庫
具備與不同專業學科設計與分析軟件的接口，可實現多物理域系統聯合仿真
具備結構、流體、電磁、熱等3D有限元模型降階功能，建立降階模型，用于與1D模型進行快速聯合仿真
通過標準開放接口FMI與第三方工具進行系統集成
可實現與嵌入式軟件設計開發平臺ANSYS SCADE集成
?? 三維模型降階
Twin Builder應用模型降階技術將三維仿真模型降階為一維物理原型級模型，與其他系統模型進行無縫集成，實現兼顧精度和效率的系統仿真，并支持實時仿真。Twin Builder可與ANSYS其他場仿真軟件進行直接接口，操作便捷。
Twin Builder模型降階模塊可根據用戶需求，生成各類降階模型，包括靜態、動態降階模型，線性、非線性降階模型，輸出接口數據、輸出場數據降階模型。
展開 【多體系統仿真算例】齒輪鏈條多體系統運動仿真
通過數值仿真，可以對齒輪鏈條多體系統進行運動和受力狀況的模擬。這種模擬方法可以提供對系統行為和性能的深入理解，有助于優化設計、預測故障和提高系統的穩定性。
在數值仿真中，可以使用有限元分析（FEA）或多體動力學（MBD）等方法來模擬齒輪鏈條多體系統的運動和受力狀況。
有限元分析（FEA）：這種方法通過將系統劃分為有限數量的元素（如齒輪和鏈條），并使用數學模型描述每個元素的物理行為，從而模擬系統的整體行為。FEA可以用于分析齒輪鏈條的應力、應變、位移等，并評估系統的疲勞壽命和穩定性。
多體動力學（MBD）：這種方法使用多體動力學軟件來模擬復雜機械系統的運動和受力狀況。MBD可以模擬齒輪鏈條多體系統中的齒輪嚙合、鏈條張緊力、摩擦力等動態行為，并預測系統的動態響應和穩定性。
在進行數值仿真時，需要考慮多個因素，如齒輪和鏈條的材料屬性、幾何形狀、接觸條件、潤滑條件等。通過調整這些參數，可以觀察系統在不同條件下的行為，從而優化設計并改進系統的性能。
仿真設計：
【仿真平臺】自建高性能計算集群
【算例說明】通過數值仿真，可模擬齒輪鏈條多體系統運動和受力狀況
【工程應用】齒輪鏈條多體系統運動仿真、多體系統動力學仿真、機械工程等
【創新貢獻】自動化計算流程+計算參數優化+后處理自動生成
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展開 
電磁閥“電磁-溫度-流體-應力”多物理域耦合仿真分析
整個分析過程在ANSYS Workbench平臺下的流程如下：
Workbench多物理場耦合仿真流程
根據提供的電磁閥模型stp格式的CAD文件，直接輸入到workbench平臺下的MAXWELL 3D中，對其各部分部件分配材料，如下圖：
因為該電磁閥是直流電源供電，所以沒有渦流損耗和磁滯損耗，主要是線圈通電的銅損，仿真結果如下圖，從圖中可以看出，電磁閥的損耗主要集中在線圈上，與理論推導一致。
所以重點考察線圈繞組上的損耗，輸入ANSYS Mechanical, 考察系統溫升。如下圖
線圈繞組焦耳損耗分布
Maxwell計算線圈生熱導入Mechanical
然后進行流體分析計算。本案例中的原始CAD模型只包含了固體區域，比如活門，彈簧，銜鐵，墊圈，頂桿等，做CFD仿真分析需要事先將流體域（通流域）抽出來，并設定相應的邊界條件。
以控制口0.5mm開度情況為例，原始模型和抽取出來的流體以及網格如下圖所示：
流體域網格
Fluent設置好相應的邊界條件后，將流體計算壓力和對流系數邊界條件在workbench平臺下導入Mecahnical進行力學分析。
該電磁閥結構分析的幾何模型及有限元如下，彈簧模型采用Mechanical的彈簧單元進行簡化。整個電磁閥結構結構左端固定，導入Maxwell計算的生熱計算溫度分布，之后導入Fluent計算的壓力分布和對流換熱進行結構應力分析。結構熱應力分析參考溫度為室溫22°。
電磁閥結構分析有限元模型
Fluent計算壓力導入Mechanical映射
Mechanical導入磁場，流場后溫度分布結果
文章來源：上海安世亞太
展開 電磁閥“電磁-溫度-流體-應力”多物理域耦合仿真分析
作動器的結構形式有很多，但工作原理都是相同的，且大都包含鐵心、線圈、銜鐵和彈簧等基本組成部分。
工作原理
電磁閥斷電狀態
電磁閥通電狀態
大咖慧網絡培訓
2022年9月27日-28日，安世亞太大咖慧推出ANSYS閥門仿真專題免費線上培訓，專題講座包含：電磁閥“電磁-溫度-流體-應力”多物理、球閥的參數化流場仿真及優化，不容錯過。
上圖中各序號代表的零件名稱及材料見下表。工作介質為3號噴油燃料（航空煤油）。進油口與外部油源系統連通，進油口壓力為10MPa。控油口與壓力控制腔連通，故控制口壓力沒有定值，隨著電磁閥的工作狀態而改變；回油口與油箱連通，出油口壓力為0.3MPa。
當線圈繞組斷電時，在彈簧力及液動力作用下推動序號12，序號8和序號5一起向左運動，當運動到序號5的端面與序號2的孔底端面貼合時停止運動，此時進油口與控制口相通，油液通過進油口和控制口流入控制腔，回油口與油箱連通，如圖一所示。當線圈繞組通電時，在電磁力作用下，電磁力克服彈簧力及液動力，使序號12，序號8和序號5一起向右運動，當運動到序號5的端面與序號9的端面貼合時停止運動，此時控制口與回油口相通，控制腔內的油液通過控制口和回油口流回油箱，如上圖所示。
電磁閥額定電壓為27V DC，額定工作壓力為10MPa，線圈匝數為2500匝，線圈電阻為55Ω。
電磁閥零件名稱及材料
多物理場耦合計算分析流程
ANSYS把各物理域軟件集成到同一個平臺Workbench下，各模塊之間無縫實現數據共享和傳輸，相互之間還能迭代，使仿真模型最大限度接近物理實際模型。
展開 基于Motor-CAD和MANATEE的新能源汽車驅動電機多物理域聯合仿真計算
因此熟悉電機的電磁、熱以及機械應力耦合分析流程至關重要，并可通過Motor-CAD實現，與MANATEE聯合仿真即可完成電機的電磁振動噪聲計算分析。
下圖所示為Motor-CAD軟件為電機設計工程師提供的電磁、熱、機械應力以及電磁振動噪聲計算分析耦合方式。
電機電磁、熱、機械耦合方式
電磁性能是電機最重要的性能也是必須要實現的，但是電機電磁性能的實現，需要建立在穩定的熱性能以及轉子機械應力性能的基礎上。因此進行電機多物理域仿真分析時必須以電機的電磁性能為主，然后校核電機熱性能以及轉子機械應力不斷反復迭代優化電機。在電機電磁性能設計完成后應對電機的電磁振動噪聲進行分析評估，并給出優化方向。Motor-CAD軟件與MANATEE軟件聯合仿真即可實現電機的電磁振動噪聲計算與分析。
本文對電機的電磁性能設計、熱設計、轉子機械應力以及電磁振動噪聲的詳細設計不做詳述僅對四者之間的銜接關系進行詳細介紹。
本文以一臺150kW新能源驅動電機為例，分析電機的電磁、熱、機械應力以及電磁振動噪聲性能。
2 電磁分析
在進行電磁分析之前，先建立電機的結構模型、選擇并設置電機的材料屬性、定電機初始溫度并確定電機的求解條件。
電磁結構及其熱結果模型建立
電機各部件材料屬性
電機求解條件及熱磁耦合方式選擇
這些條件設置完成后，計算電機的轉矩性能并分析電機的轉子磁場分布，為后續的機械應力分析提供參考數據。
下圖所示紅色向量為電機各部分電壓向量圖，從下圖可知電機端電壓并未超過電機的母線電壓，這樣在實際中電機的母線電壓能夠滿足電機的性能要求。
電機各部分電壓向量圖
下圖所示為電機的輸出仿真性能，但是這是比較理想的性能仿真。
展開 ? ?在線報名｜Ansys新能源汽車電機NVH多物理域仿真方案分享
新能源汽車電機的NVH（Noise, Vibration, and Harshness，即噪聲、振動、粗糙度）問題是多物理場耦合的復雜問題。電機運行過程中，變化的電磁力不僅會影響電機NVH性能，還會對電磁性能產生影響。在新能源汽車電機的優化設計過程中，將電磁性能和NVH性能作為優化變量同時進行優化是非常必要的。
電機NVH多物理域耦合
本次研討會將展示ANSYS的最新仿真技術，主要聚焦在以下問題：
新能源汽車電機的NVH問題以及Ansys集成式完整解決方案
Ansys Maxwell 電機電磁力分析
Ansys Mechanical結構振動及聲學分析
Ansys Sound聲品質分析
9-12月精彩課程預告
展開 行業應用方案 | 多學科系統中的多體動力學仿真
Ansys Motion 擁有更快的仿真速度，Ansys Motion優秀的求解器可以顯著提升大規模自由度系統的仿真速度，且在SMP并行環境下，求解速度會進一步大幅提升。緊密集成多體和結構仿真求解器，可以同時求解剛體、柔性體、力實體和連接副的控制方程。適用于大規模自由度系統仿真分析，專門為剛體和柔體混合系統定制的稀疏矩陣求解器已驗證，可以很好地處理大規模自由度系統仿真分析
先進的3D面接觸算法，可以很好地支持3D面接觸，包括小面和NURBS兩種類型。提供剛體-剛體面接觸，剛體-柔性體面接觸和柔性體-柔性體面接觸，高效的接觸探測算法可以更快速地計算復雜接觸問題
Ansys Motion 標準包支持模態柔性體和節點柔性，并可自由選擇。Ansys Motion同時支持無網格柔性技術，用戶無需對結構進行網格劃分即可實現柔性體數據的計算
Ansys Motion可以提供高效，功能強大的多柔性體動力學分析工具，對機械系統的運動學分析、車輛動力學、大變形結構分析、高速旋轉系統、3D接觸系統、以及多體運動、結構變形、動力學耐久性分析等有完整的解決方案。并可以結合Ansys Maxwell 及Mechanical 來實現電機的NVH分析，利用FMI接口及MATLAB實現與Twin Builder、Simulink等軟件的系統仿真。
展開 第二十章：多學科仿真驅動電驅系統創新設計 | 達索系統百世慧
無論是純電驅動，還是混合動力的新能源汽車，電驅系統都是核心的動力部件。動力總成供應商和主機廠都在共同促進電驅系統的優化設計，在保證和提高動力輸出的基礎上，實現更高的節能減排效率。同時，隨著不斷加劇的市場競爭，要求供應商和主機廠都能夠以更快的速度開發出新的產品。在這樣的背景下，仿真作為提高研發效率的催化劑，在各大企業都有非常廣泛和深入的應用。電驅系統的仿真涉及多個學科，包括結構、電磁、流體、噪聲等，而且很多工況都涉及多個物理場的耦合，具有很大的復雜性和挑戰性。為了更快速得到更準確的仿真結果，企業需要建立和不斷加強研發階段多物理場聯合仿真的能力，并能夠高效地基于多物理場仿真進行產品設計的優化。
達索系統SIMULIA提供完整的多學科仿真軟件和平臺體系。目前已涵蓋結構、疲勞、流體、電磁、聲學等多個學科，并通過設計仿真平臺將各個仿真工具無縫集成于研發體系。能夠實現針對電驅系統的高效率仿真和多學科優化，從而為產品創新設計提供助力。
本次講座將介紹達索系統SIMULIA針對電驅系統多學科優化驅動創新設計的方案和案例。
會議信息：
2022年8月5日 14:00 -15:00
會議講師：
主講人：姚永漢-達索系統SIMULIA汽車行業技術顧問；畢業于上海大學/上海市應用數學和力學研究所，工程力學碩士，主要負責汽車行業結構分析以及結構優化的技術支持
會議鏈接：
https://3ds.tbh5.com/SIMULIA/EventDetail.aspx?eid=673&f=bestway
產品咨詢
Simulia網站：https://vsystemes.com/
展開 設計仿真 | 基于VTD的多物理傳感器自動駕駛系統仿真方案
隨著自動駕駛算法等級的不斷提高，各開發商的傳感器布置方案也越來越豐富，最典型的為多V、多R及多L的方案。而在對多種類，多數量的傳感器進行物理模型仿真時，會占用大量的計算資源和網絡通訊資源，同時仿真的效果還受到PCIe總線帶寬及顯卡的接口數量限制。
基于VTD的多物理傳感器自動駕駛系統仿真方案，采用VTD的主從機布置方式，將VTD軟件安裝在主機Master上，從機slave上只安裝運行VTD所需要的依賴，主機以mount的方式將仿真軟件映射在從機Slave相應的位置。在主機中配置各類型傳感器運行的顯卡平臺，仿真開始時，主機以ssh的方式將傳感器的計算任務下發到從機Slave的顯卡，以調用從機Slave的計算資源，達到仿真對速度的要求。各個計算機的顯卡將計算完成的數據，分別通過HDMI和以太網的數據，發送到視頻注入板(FPGA)或直接發送給被測系統SUT。從而在感知層實現全鏈路仿真。該系統可以滿足用戶：
01
同時進行多路視頻數據的感知算法驗證；
02
同時進行多路激光雷達點云數據的仿真驗證；
03
同時進行多路毫米波雷達點云數據的仿真驗證；
04
可進行多V多R和多L的物理模型仿真驗證；
05
可進行行泊一體的算法仿真驗證。
VTD方案優勢
支持主從機的布置方式，合理分配計算資源；
主從機采用同一套仿真軟件，降低軟件成本；
根據顯卡的種類(圖形卡/計算卡)合理分配計算任務；
從機數量可擴展。
展開 
Dymola多學科系統仿真平臺
多學科聯合仿真與多軟件協同仿真
熱流體、動力學、電氣、液壓、控制多學科模型集成與聯合仿真；
不同軟件的模型可以采用FMU、C代碼等形式集成進來進行聯合仿真；
FMI/FMU支持范圍廣，支持超過100種軟件的FMU格式。
控制算法MIL/HIL測試驗證
組件定制化開發，定制化被控模型，基于動態行為的控制算法驗證；
快速仿真，控制參數批量仿真DOE尋優，仿真效率提升達50%；
虛擬標定與虛擬路試，高精度建模支撐對算法中參數的標定、控制策略的修改；
HIL測試，快速的模型仿真以及主導的特有的INLINE INTEGRATION方程處理方式和多核計算能力符合復雜系統的實時仿真要求。
結合CatiaMagic進行MBSE協同設計
基于場景的需求驗證；
能耗、重量、價格、性能等多方案權衡分析，多性能指標目標優化；
時序動態行為分析；
模型與需求關聯以及模型追溯。
展開 Dymola — 多學科系統仿真平臺
Dymola是法國DassaultSystems公司的多學科系統仿真平臺，廣泛應用于國內外汽車、交通、能源等行業的系統總體架構設計、選型及匹配驗證、系統優化等。Dymola支持FMI標準接口協議，可用于集成不同軟件建立的、不同詳細程度的模型，進行MIL、SIL和HIL測試。
產品介紹
? 多學科仿真
Dymola作為多學科系統仿真平臺，提供了多種屬性的物理接口，覆蓋機械、電氣、熱、流體以及控制等領域，結合Dymola提供的Modelica基礎庫和商業庫，可方便用戶創建物理系統架構以及不同復雜程度的系統功能模型。Modelica基礎庫為客戶提供Modelica協會在機械、流體、電子電氣、電磁、控制、傳熱等多個工程領域的新近研究成果。并提供模型庫，涵蓋整車熱管理系統、人體舒適度、燃料電池、鋰電池、車輛動力學、液壓、電機驅動、電力、火電、水電、風電等領域，為產品的多領域協同研發提供更全面的支撐。
Dymola的模型可用于HIL測試，支持NI、dSPACE、Concurrent、HiGale、RT-Lab等實時仿真系統。
? 電氣系統模型庫
針對新能源汽車，Dymola提供了蓄電池庫、燃料電池庫、電驅動系統庫、車輛動力學庫，可用于搭建完整的混合動力汽車、純電動汽車模型及供電網、充電樁模型，為新能源汽車電氣系統和整車動力學特性的仿真分析和測試提供了模型。
蓄電池模型庫包括電池單體、電池組和BMS，電芯模型包含三部分，電模型、熱模型和老化模型，考慮了溫度，壽命，SOC對電池性能影響。BMS除傳統控制外還可加入了主動預防控制等特性。
電氣系統庫中擁有各類電器元件，并包括詳細的半導體元件，如IGBT，BJT，MOSFET等，考慮了其瞬態效果與能耗。
展開 TISC—系統多學科協同仿真平臺
德國TLK-Thermo GmbH公司的TISC是一款實現多學科物理協同仿真的平臺工具，它提供了一個標準的協同仿真環境，支持本地、遠程以及分布式仿真，能將各仿真客戶端有效連接起來并進行同步和控制，被廣泛應用于汽車、家電等領域。
產品介紹
—TISC平臺架構
TISC平臺在應用中有兩個層級：仿真層和控制層。仿真層是利用TISC-Center的Simulation Server將存在于各仿真軟件中的多學科模型進行集成耦合，確保接口的數據同步與交互；控制層是利用TISC-Center的Control-Server對參與聯合仿真的分布式計算機進行管理和控制，統一調度仿真步調，確保仿真過程有序進行。
—TISC平臺特點
TISC平臺是一個多學科物理協同聯合仿真管理和調度中心，具有以下特點：
支持軟硬件交互：支持通過TCP/IP實現與仿真模型的耦合，支持通過網關實現與硬件耦合
支持跨平臺聯仿：支持Windows、Linux、UNIX等不同操作系統之間的聯仿
支持多學科聯仿：支持各學科專業軟件之間的聯仿
支持一三維聯防：支持系統仿真軟件和三維CAE軟件的聯仿
支持分布式聯仿：支持多計算機之間的聯仿
支持仿真可視化：支持在仿真過程中觀測數值變化
支持擴展開發：提供C、C++、C#、Python及Fortran等開發接口，支持定制商業軟件接口開發
—TISC平臺支持的CAE軟件
TISC支持絕大多數的CAE仿真軟件，軟件涵蓋了工程各領域，其中*為用戶定制專業軟件接口。
展開 Adams— 系統級多體動力學仿真平臺
Adams 是一款系統級多體動力學仿真平臺，被廣泛應用于汽車、能源、重型機械等多個行業。該工具凝聚了豐富行業應用經驗，能夠快速進行系統級的運動學、動力學仿真、系統級模態及振動分析、與控制系統集成的機電一體化分析、系統疲勞壽命分析等，包括基礎模塊、擴展模塊、車輛專用模塊、新能源專用模塊、實時仿真模塊等。
產品功能及特點
- 基礎模塊
采用 Adams 軟件基本模塊，可快速建立或導入參數化幾何模型，支持系統運動學、靜力學和非線性動力學分析。
- 擴展模塊
Adams 提供多學科軟件接口，包括與 CAD、FEA、控制及疲勞分析軟件之間的接口。
Adams/Control 支持將機械系統與控制系統聯合仿真，評估多學科系統整體性能
Adams/Flex 支持機械系統柔性化，評估機械系統部件彈性變形的影響
Adams/Durability 支持導出子系統或零部件載荷 - 時間歷程，評估系統內部件應力、應變、壽命，同時提供 MSC Fatigue 和 nCode DesignLife 接口，完成零部件的疲勞壽命預測
Adams/Vibration 支持系統振動特性分析，可進行減振、隔振等振動性能優化
- 車輛專用模塊
車輛仿真專用模塊 Adams/Car 支持用戶快速建立高精度的整車虛擬樣機，包括底盤（傳動系統、制動系統、轉向系統、懸架）、輪胎和路面、動力總成、車身、控制系統等。
- 新能源車專用模塊
新能源車專用模塊 Adams/Car EV 支持 FWD、RWD、AWD 多種動力總成布置，提供驅動、制動控制等相關模塊，支持 FMU 聯合仿真，能夠實現高保真度的機電控聯合仿真，對控制策略進行仿真驗證。
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