數字雙胞胎之間的聯接紐帶——True-Load

2018-05-08 by:CAE仿真在線來源:互聯網

“數字雙胞胎”(Digital Twins)這一概念誕生于數字工業時代,由GE提出,近幾年在國內外廣泛流傳使用。一些仿真技術人員,采用傳統的仿真技術觀點對“數字雙胞胎”作出了比較詳盡的闡釋,實際上,用傳統仿真技術來會意Digital Twins,涵蓋了Digital,并未真正或完全涵蓋Twins,具體來說沒有重點落實Twins之間溝通的紐帶,從某種意義上看,傳統仿真技術層面的Digital Twins實際上是Digital Brother。我們來看看如下GE關于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 “數字雙胞胎”肩負著重要的使命-了解過去、感知現在、預測未來,這就注定了雙胞胎之間必須具有高度的相似性/關聯性,那么構造出與實物等效的數字雙胞胎將是其中極其重要的環節。

在此,我們從結構性能的測試和分析來看Digital Twins之間的紐帶。眾所皆知,FEA分析結構的性能(變形、應力、模態、耐久等)時,模型的準確性直接影響著分析結果的可信度,而載荷、模態及其他模型參數是保證實物樣機和數字模型一致與否的關鍵因素,雙胞胎之間的關聯就需要從這些關鍵因素方面著手。

實際上,工程人員在進行實物試驗也往往存在一些痛點,比如在規劃試驗時不易搞清楚哪些位置是需要貼應變片的位置,需要貼應變片的位置卻因結構或工況原因無法執行,載荷測量沒有應變測量容易實現,一些商業化工具可以幫助我們達成數字雙胞胎之間的互相關聯和相輔相成。

載荷識別/ True-Load

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

模態識別

對于復雜的結構,通過局部測得的應變,可識別出復雜結構的模態。

模型參數校正

采用試驗測量點的振型和FEA分析得到的模態振型一致化作為條件,對分析模型的參數進行確定,往往限于結構簡單容易通過某些點確定振型的情況。

True-Load載荷識別與測試預分析

仿真分析和試驗測量是檢驗產品性能的兩種手段,長期以來,兩者間的協作模式大多表現在各自所得結果的比對方面。而很多時候,仿真人員對于自己分析結果的可信與否并沒有滿滿的自信,一旦試驗結果與仿真結果間呈現比較大的偏差,仿真分析與試驗測量對于具體工程問題的指導就不易發揮“齊頭共進”的作用。True-Load作為測試預分析及載荷識別的工具,依據應變片測量出的應變歷程決定有限元模型的載荷和整體結構受力的時間歷程time-histories,在溝通仿真分析和試驗測量方面具有不可忽視的作用。

True-Load是基于有限元模型和計算結果的分析工具,主要功能包括測試預分析和載荷識別分析。測試預分析決定如何有效地布局應變片的位置和方位;載荷識別分析則根據應變片測量出的應變時間歷程擬合反推出結構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算出準確的結構強度和疲勞熱點位置并據此優化設計。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%,并將以前需要數月才能完成的載荷識別工作縮短成數小時甚至數分鐘的工作量。適用于實體系統完成后的部件可靠性分析與優化。根據識別出的載荷歷程,工程師可以回到有限元軟件中準確求解,也可以在True-Load中以線性疊加法計算結構的剛度、強度及疲勞壽命。

True-Load/Pre-Test測試預分析模塊:基于單位載荷作用下FEA模型的結果,確定測試中應變片的合適位置。
True-Load/Post-Test載荷識別模塊:根據測試得到的應變數據及FEA模型,計算出結構的外載荷歷程,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準靜態計算模塊:計算并查看結構的應力、應變和變形歷程。
SafeDesign for True-Load疲勞耐久分析模塊:計算結構的疲勞壽命。

True Load數學理論

True Load應用舉例

True-Load工作流如下:

基于True-Load載荷識別的測試與分析結果高度相關:

數字雙胞胎之間的聯接紐帶——True-Loadmanufacturing圖片10

數字雙胞胎之間的聯接紐帶——True-Loadmanufacturing圖片11

True Load for ANSYS讓ANSYS的功用更大程度地得以發揮

True-Load是一款將測試和仿真相互結合的軟件。用戶可以根據FEA結果,通過True-Load分析來指導測試,同時還可以根據測試結果來反推工況載荷。基于True-Load的后處理功能,用戶可以根據測試結果擴展提取FEA模型中任意節點的響應,還可以提供疲勞計算的輸入條件。True-Load廣泛的應用于汽車、工程機械、車床、風力發電、航空等領域。
對于傳統的載荷或應變測試,我們面臨著測試設備昂貴、周期較長、測試和仿真脫節等問題。此外在測試中我們只能得到有限個測點的結果數據,無法擴展到整個模型,應變測試中對于應變片的測試位置,只能依靠試探或者以往的經驗。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,根據實際情況對模型進行單位多工況加載并分析,True-Load基于FEA的分析結果可以查找出應變測試的最佳測試點,測試結束后將測試應變結果導入True-Load中進行載荷計算,反推出FEA模型中對應工況下的真實載荷,所求解的載荷可用于后續的有限元計算,也可以在True-Load中直接進行后處理,可以根據測試應變將結果擴展到模型的每個節點上。
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軟件擴展更多的結果信息,改變了仿真與測試脫節,數據不對等的問題,實現了讓仿真更真,測試更準,成本更低。

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