2024ANSYS风电机组数字孪生与建模仿真技术方案

风电机组数字孪生与建模仿真技术方案内容提要1 2 ANSYS3 聚合物理分析数字化转型的目的聚合物理分析HowAdvancedAnalyticsCanBenefitInfrastructureCapitalPlanning(April2018)ANSYS基于仿真的的数字孪生数字孪生是客观事物在虚拟世界的镜像?PhysicalAsset(In-service)

DigitalTwin(VirtualReplica)输入 输出

基于经验/理论公式的模型基于数据的模型基于三维几何建模的模型基于仿真的模型实际设备传感器实际设备传感器视频:数字孪生价值HowDigitalTwinshelpourcustomers增加最大化收益增加最大化收益达到成本管理的底线达到成本管理的底线获得获得/保持竞争优势Simulation-basedDigitalTwins+IIoTandDataAnalyticsIIoTSimulation-basedDigitalTwins+IIoTandDataAnalytics异常检测和警报故障预测异常检测和警报故障预测数据挖掘实时监控远程诊断预诊断下一代设计基于仿真的“数字孪生”实现高阶数据分析ConnectingtheReal“Thing”..anditsDigitalTwin..InOperation!Motor-PumpinOperation

IndustrialIoTPlatform(PTCThingWorx)BigDataStreamingBigDataTriggers

Motor-PumpDigitalTwinPlatformSimulationPlatformData

SecurityConnectivity

InputsPreventiveMaintenanceValueAddedServicesFeedbacktoEngineering

SimulationOutputs数字双胞胎的实际应用MODEL-BASEDENTERPRISE&MODEL-BASEDENTERPRISE&SYSTEMSENGINEERING设计决策

DigitalSignaturesDigitalSignaturesIoTASSETSECOSYSTEMSVirtualSensors运行决策寿命性能诊断优化重量效率鲁棒性PAGE11PAGE11实现数字孪生价值的方案所必须的能力构建精确、基于物理的仿真模型验证和优化仿真模型导出TWIN模型并与IIoT平台连接进行运营部署DCDCEmbeddedSoftwareLV-BatteryPowerElectronicsElectromechanicsSystemVehicleDynamicsFMU嵌入式软件方程传递函数速度传感器电路状态机+V3DROM控制逻辑/电路电磁部件液压/气动模型动力学模型刹车盘模型集成3DROM,FMUs,VHDL-AMS,Modelica等模型在一个多学科联合仿真环境里系统一维模型仿真在系统设计的早期构建系统一维模型并验证Modelica、VHDL-AMS系统一维模型仿真在系统设计的早期构建系统一维模型并验证Modelica、VHDL-AMS系统一维与三维混系统一维与三维混合模型仿真通过特有的三维模型降阶技术把三维模型引入系统仿真通过因为三维模型构建精度更高的系统仿真系统模型用于虚拟试验系统模型用于虚拟试验把系统模型部署到测试环境用于半实物试验构建虚拟传感器观测不易通过传感器采集的数据或场状态进行现实难以模拟的恶劣工况测试测试及优化系统运行性能虚拟模型用于设备运营维护把系统模型部署到运行环境提升运营维护通过虚拟传感器观测不易通过传感器采集的数据或场状态对设备的寿命等进行预测性维护排故方案预演Data-basedROMTwinBuilder数字孪生构架与及部署流程Data-basedROMTestDataSoftware,ControlModelsTestDataSystemModel

系统仿真平台TwinModelforOfflineCompute+ +ROM Solver

Export

X-in-LoopLTI&LPV

Static

Dynamic

Digital

FMUforSimulationworkflowsSystemLibraries

ROMExtractionCapabilities

TwinModelforcloud/edgedeploymentValidated3DPhysicsModels DigitalTwinPartnersValidated3DPhysicsModelsDigitalTwinPartners从设计到运维风力发电面临的挑战HugerotorHugerotordimensions >220mdiameter >30m/sHighercut-outwindspeed>30m/sHighercut-outwindspeedNacellethermalreliability electricequipmenttemperaturePoweroutput Poweroutput +12perturbineNoise <45dB <200metersWindfarmsitinginproximitytourbanareas<200metersWindfarmsitinginproximitytourbanareas>30yearsExtendedlife+$250kbladereplacementMaintenancecost>30yearsExtendedlife+$250kbladereplacementMaintenancecost…面对复杂的多学科系统HowdoestheHowdoesthesystemperform?ActuatorsSafetyRequirementsElectronicControlOperationalProfilesEmbeddedSoftwareSensors

OperatingConditionsAnsys工程挑战 核心能力 案例输出疲劳损伤与各种生产制度有关计划外停机时间和维护成本非最佳操作和偏航失调

算热点应力虚拟传感器虚拟场景模拟

结构响应的连续和瞬时监测实时预测剩余使用寿命更好地安排检查和维护窗口性能指标优化\h\hContactUs内容提要1 ANSYS数字孪生平台与技术路线ANSYS数字孪生平台与技术路线3 TwinBuilder三大主要功能部署系统预测维护将孪生体部署到IIoT或边缘设备

构建构建系统模型验证系统验证与优化

建立基于物理的精准数字模型验证和优化系统模型TwinBuilder技术能力：快速构建系统仿真模型建模阶段的优势与能力支持多物理、多语言、高保真模型

支持多种建模语言支持ModelicaVHDL-AMSC/CSPICE等语言可扩展的多学科专业模型库电气,与第三方工具(包含1D)集成支持FMI/FMU与ANSYS3D和第三方Exchange&co-simulation3D降阶模型生成与集成通过ROMDynamicStaticand)实现3D物理模型的简化与嵌入式软件集成SCADESuite,SCADEDisplay等TwinBuilder技术能力：验证和优化数字孪生体模型验证阶段优化与能力轻松集成与验证测试数据

集成后处理的多域仿真快速人机界面原型设计系统验证和优化支持DoE(VBA/Python)XiL集成(SiL在环工作流程TwinBuilder技术能力：生成与部署数字孪生体部署阶段优势与能力运维优化预测性维护部署

快速连接到受支持的IIoT平台配置连接器以连接到IIoTANSYSSAP与RockwellAutomationandAzure合作数字孪生导出和部署生成的数字孪生模型从Builder数字孪生体（.twin文件）利用AnsysTwinDeployer轻松部署数字双胞胎Data-basedROMTwinBuilder数字孪生构架与及部署流程Data-basedROMTestDataSoftware,ControlModelsTestDataSystemModel

系统仿真平台TwinModelforOfflineCompute+ +ROM Solver

Export

X-in-LoopLTI&LPV

Static

Dynamic

Digital

FMUforSimulationworkflowsSystemLibraries

ROMExtractionCapabilities

TwinModelforcloud/edgedeploymentValidated3DPhysicsModels DigitalTwinPartnersValidated3DPhysicsModelsDigitalTwinPartners通过运行SDK把Twin模型部署到IIoT云平台部署阶段的好处和功能SDK很方便与IIoT集成，通过SDK运行模型已经在SAPLeonardoIoT、PTCThingWorxPredix和阿里巴巴等平台部署

智能机械物理原型

异常情况传感器数据应用校正动作传感器数据

IoT平台分析洞察

试验数字孪生运行于云上数字孪生运行于云上ANSYS平台虚拟原型Product利用AnsysTwinDeployer轻松部署数字双胞胎ProductCloudTwinDeployerEdgeCloudTwinDeployerEdgeOffline容易将twin部署到云、edge或离线环境中使用通过漏洞检查确保双胞胎的安全性编写器:组合多个FMUs和轻松创建新的孪生模型内容提要风电数字孪生应用案例价值介绍1ANSYS风电数字孪生应用案例价值介绍EDRMedesogroup–AHappyEliteChannelPartnerin1986About100highlydedicatedemployeesof31M€in2017800inallindustriesLocalteamsintheNordics,BalticsandUK项目背景客户疑问Ansys是否具备提供系统仿真与数字孪生的能力？如何实现各部门之间的协调合作（流体，结构，嵌入式软件…）？数字孪生被视为一个战略目标公司高层注意到市场与技术等方面的转型挑战。运维部门的需求数字孪生转变运维模式，降低运维成本，提高产能，设计优化迭代系统仿真&数字孪生的价值AssetinAssetinOperationDigitalTwinIoTPlatform开发基于仿真的数字孪生解决方案与真实物理设备连接通过降阶技术传感高精度仿真模型运行模拟比实时更快实施方案:建立风电站的DTW（风力发电数字孪生）模型风速&风向风速&风向疲劳损坏?电力输出?仿真分析!高保真模型高保真模型数字孪生ROM系统分针螺距=叶片旋转叶片螺旋角–运维优化螺距=叶片旋转TSR–叶尖速比TSR–叶尖速比(叶尖速度与风速之比)有效转矩Windspeed&direction转子轴上的反作用负荷StructuralanalysisFluidFlowSimulation有效转矩Windspeed&direction转子轴上的反作用负荷StructuralanalysisFluidFlowSimulationElectro-magneticanalysis

发电机_电压/电流 基座焊缝/螺栓的疲基座焊缝/螺栓的疲劳破坏/应力应变流程图–流体设计，结构设计，机电设计，嵌入式软件…系统整合Currentsweep

PowerWindAngle叶片螺旋角WindVelocity

发电性能评测发电性能评测结构负载

Positionsweep瞬态位移

电流/电压发电机机械结构维护应变/发电机机械结构维护使用现有的仿真模型（需要有限元技术储备）ROM-有关输入和输出创建ROMs风场模拟:CFDROM(responsesurface)

瞬态振动:SPMROM

静态应变:ROM(responsesurface)嵌入式软件：SCADE

电磁仿真:MaxwellROM(ECE,sweepoverpositions)WindConditionsTransientResponseFatigueDamage创建WindConditionsTransientResponseFatigueDamage风场流动模拟–CFDROMInput: 风场(速度风向)-叶片螺旋角(几何结构)Output: -转子轴转矩-塔上的荷载(力、力矩)ReducedOrderModelwill:Correlatetheincomingwindconditionstoreactionsontherotoraxle(forcesandmoments).建立风场条件转子轴上映射关系(力和力矩)。WindConditionsAvailableElectricalPower创建电磁WindConditionsAvailableElectricalPower电磁–MaxwellROMInput: -转轴扭矩(随时间变化)Output栅极电压(随时间变化)(随时间变化)内部电路参数etc.ReducedOrderModelwill:建立时变的转轴转矩与发电机输出到电网功率(currentandvoltage)的映射关系(customerssystem).WindConditionsTransientResponseFatigueDamage创建瞬态振动WindConditionsTransientResponseFatigueDamage瞬态振动–DynamicROMInput: 塔的受力(随时间变化)-塔身力矩(随时间变化)Output:-塔身的位移(随时间变化)ReducedOrderModelwill:Capturethedynamicvibrationsinthetowerduetothechangingwindconditions.捕捉塔中由于风向变化而产生的动态振动。WindConditionsTransientResponseFatigueDamageWindConditionsTransientResponseFatigueDamage静态应力分析–FMUROMInput: -(随时间变化)Output:-特定位置的应力变化(例如在焊接中)-损坏风险和维护需求ReducedOrderModelwill:Calculatethetimevaryingdisplacementsandstressesatthebaseofthetower.Tobeusedforassessmentofthefatiguedamageinthewelds/bolts.计算塔基座上时变的位移和应力。用于评估焊接/螺栓的疲劳损伤在AnsysWorkbench平台创建DX-ROM(FMU格式)StaticStructural(FEM)GeometryParameterStudyDX-ROM—生成响应面(建立输入、输出参数之间的关系)InputsOutputsDesignofExperiments ResponseSurfaceTableofDesignPointsEachrowisonesimulationTableofDesignPointsEachrowisonesimulation创建DX-ROM(以FMU的格式导入到TwinBuilder中)InputDisplacementsOutputInputDisplacementsOutputStresses嵌入式软件通过FMU导出控制算法（SiL）SCADE–控件和嵌入式软件Input: -风速风向转子转速,叶片螺旋角Kp,Ki,KdTSR,AlarmLevel,etc.Output:-叶片螺旋角TSRAlarm,etc.ReducedOrderModelwill:Controlthepitchangleoftherotorbladesdependingontheincomingwindspeed,toobtainanoptimalTSRvalue.根据传入风速控制动叶螺距角，得到最优TSR值。

InSCADESuite应用TwinBuilder搭建多学科系统模型应用TwinBuilder搭建多学科系统模型转子速度控制反馈转子速度控制反馈TSRTSR定位点WindspeedWinddirectionWindspeedWinddirectionWindFluidFlowSimulationsMaxwellOutputWindFluidFlowSimulationsMaxwellOutputfromgenerator系统仿真–应变仿真–结构设计团队Wind

FluidFlow

Analysis

Structural(Stress)AnalysisWindC onditioFluidFlowSimulationsSystemModel&EmbeddedSWWindC onditioFluidFlowSimulationsSystemModel&EmbeddedSW数字孪生–预测与维护–运维服务团队GE的Haliade™150-6MW海上风力机数字孪生与预测维护

核心挑战:预测与各种生产制度和控制措施相关的疲劳成本避免计划外停机，降低维护成本优化操作流程，限制偏航失调这些挑战涉及复杂的多学科模拟仿真：建立精度和计算时间匹配的多物理系统模型用真实的运行数据对模型和控制策略进行验证、优化和标定实现模型与运行中的实际设备连接风力发电数字孪生部署流程ActualAssetin

Data

IndustrialIoTPlatformBigDataStreamingBigDataAnalyticsHistory,TriggersSecurityCon