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1ANSYS基于仿真的数字孪生技术2ANSYS数字孪生平台与技术路线3风电数字孪生应用案例价值介绍数字化转型的目的:

发挥数字与物理世界的交互融合的价值分析洞察数据聚合物理世界How

Advanced

Analytics

Can

Benefit

Infrastructure

Capital

Planning

(April

2018)Physical

Asset(In-service)Digital

Twin(Virtual

Replica)实际设备传感器虚拟设备（模型）输入输出设备使用人员/设备控制系统基于经验/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?视频:

数字孪生价值HowDigitalTwinshelpour

customers增加最大化收益达到成本管理的底线获得/保持竞争优势IIoT和ANSYS仿真平台结合，能够预测产品在真实世界工作条件下的性能异常检测和警报故障预测处理方案数据挖掘实时监控性能优化远程诊断预诊断下一代设计Simulation-basedDigitalTwins+IIoT

andData

AnalyticsConnectingtheReal“Thing”..anditsDigitalTwin..InOperation

!PreventiveMaintenanceValueAddedServicesFeedbackto

EngineeringSimulationPlatformMotor-PumpDigital

TwinSimulation

OutputsIndustrialIoT

Platform(PTCThingWorx)BigData

StreamingBigDataAnalyticsHistory,TriggersSecurityConnectivityInputsDataMotor-Pumpin

Operation基于仿真的“数字孪生”

实现高阶数据分析运行角度设计角度Digital

SignaturesVirtual

Sensors运行决策寿命性能诊断优化设计决策成本重量效率鲁棒性MODEL-BASEDENTERPRISE&

SYSTEMSENGINEERINGINTEGRATEDIoTASSETS

&ECOSYSTEMS数字双胞胎的实际应用10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11多学科联合仿真LV-BatteryElectromechanicsPneumatic/HydraulicBraking

SystemPowerElectronicsEmbedded

SoftwareVehicle

Dynamics0F_Pedals_valveF_Valve

brakePressureModelica_Braking_SystemHydraulics_20171129TauPedalDCVAVBVPVNI_setDCChopperBuck_1A23XD4VAVBF_valveS_valveMag_ValveMagnetic_Valve_3SFG49VVM1LIMIT_Vehicleed_VehiclepDrivinBrakePeed_WheelceCalipergTorque

Speressure

PosSliSpSimple_VehicleforVehDyn_20171129IvehicleVelocityrefslipABS_Control_IdealControlleractivateG(s)GS1G(s)GS2速度传感器刹车盘模型集成

3D

ROM,

FMUs,

VHDL-AMS,

Modelica

等模型在一个多学科联合仿真环境里电路方程3D

ROMFMU状态机Current

ControllerPWM

ControlE1EMF=12VAVBI_dVPVNLoutI_setDENPower

ElectronicsIGBT1D1L=1uHL1L=1uHL2I_iniA+

AM1S1EN>=1INI_RETURNEN<1SET:

S1:=-1AM1.I<=I_set

-D AM1.I>=I_set+

DSW_ONSET:

S1:=1SW_OFFSET:

S1:=0嵌入式软件控制逻辑/电路电磁部件液压/气动模型动力学模型传递函数ANSYS

Twin

Builder支持从概念设计到运营阶段维护全过程系统一维模型仿真系统一维与三维混合模型仿真系统模型用于虚拟试验虚拟模型用于设备运营维护在系统设计的早期构建系统一维模型并验证通过Modelica、VHDL-AMS等构建系统模型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Software,ControlModels+ +Validated3D

PhysicsModelsTwinModel

forcloud/edgedeploymentSystemModelSystemLibrariesROMSolverFMUfor

SimulationworkflowsLTI

&

LPV

Static DynamicROMExtraction

CapabilitiesTest

DataTwinModelforOffline

ComputeData-basedROMDigitalTwin

PartnersDigital

TwinExport系统仿真平台X-in-LoopTwin

Builder数字孪生构架与及部署流程从设计到运维风力发电面临的挑战Huge

rotor

dimensions >220m

diameterNacellethermal

reliabilityMaxelectricequipment

temperatureHighercut-outwind

speed>30

m/sPower

output +12MWper

turbineNoise <45

dBWindfarmsitinginproximitytourban

areas<200

metersExtendedlife>30

yearsMaintenance

cost+$250kblade

replacement…面对复杂的多学科系统Electronic

ControlOperating

ConditionsSafety

RequirementsOperational

ProfilesEmbedded

SoftwareSensorsActuatorsHowdoesthesystem

perform?工程挑战Ansys

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三维降阶模型，快速，准确的计算热点应力虚拟传感器虚拟场景模拟Contact

Us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Ansys提供数字孪生与预测维护能力内容提要1ANSYS基于仿真的数字孪生技术2ANSYS数字孪生平台与技术路线3风电数字孪生应用案例价值介绍Twin

Builder三大主要功能系统验证与优化验证和优化系统模型验证系统预测维护将孪生体部署到IIoT或边缘设备部署建立基于物理的精准数字模型构建构建系统模型建模阶段的优势与能力支持多种建模语言支持Modelica,

VHDL-AMS,

C/C++,

SPICE

等语言可扩展的多学科专业模型库电气,、电子、机械、流体、热力、信号库等与第三方工具(包含1D)

集成支持FMI/FMU,与ANSYS

3D和第三方ModelExchange&

co-simulation3D降阶模型生成与集成通过ROM

(Dynamic,

Static

and

DX)

实现3D物理模型的简化与嵌入式软件集成SCADESuite,SCADEDisplay

等便捷的多源异构模型构建平台支持多物理、多语言、高保真模型TwinBuilder技术能力：快速构建系统仿真模型验证阶段优化与能力集成后处理的多域仿真分析和优化系统中多域组件之间的交互快速人机界面原型设计通过功能强大、易于设计和交互式的图形面板增强模拟体验系统验证和优化支持DoE、参数扫描和脚本

(VBA/Python)XiL集成支持模型在环

(MiL)和软件在环

(SiL)

在环工作流程确保产品的可靠性和鲁棒性通过优化工具优化系统性能轻松集成与验证测试数据Twin

Builder技术能力：

验证和优化数字孪生体模型部署阶段优势与能力快速连接到受支持的IIoT平台配置连接器以连接到IIoT平台并发送和接收操作数据ANSYS支持SAP预测工程洞察力与Rockwell

Automation

and

Azure

合作数字孪生导出和部署生成的数字孪生模型从Twin

Builder导出以生成可兼容、可部署的数字孪生体（.twin文件）利用Ansys

Twin

Deployer轻松部署数字双胞胎通过在双胞胎上执行验证和验证，显著减少部署时间运维优化预测性维护部署Twin

Builder技术能力：

生成与部署数字孪生体Software,ControlModels+ +Validated3D

PhysicsModelsTwinModel

forcloud/edgedeploymentSystemModelSystemLibrariesROMSolverFMUfor

SimulationworkflowsLTI

&

LPV

Static DynamicROMExtraction

CapabilitiesTest

DataTwinModelforOffline

ComputeData-basedROMDigitalTwin

PartnersDigital

TwinExport系统仿真平台X-in-LoopTwin

Builder数字孪生构架与及部署流程通过运行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平台集成，通过SDK运行Twin模型已经在SAP

LeonardoIoT、PTC

ThingWorx、Predix和阿里巴巴等平台部署智能机械IoT

平台异常情况传感器数据应用校正动作试验校正动作仿真结果数字孪生运行于云上ANSYS平台虚拟原型物理原型传感器数据分析洞察利用Ansys

Twin

Deployer轻松部署数字双胞胎通过对孪生体执行验证校核，可以显著减少部署时间容易将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FMU编写器:组合多个FMUs和Twins轻松创建新的孪生模型TwinDeployerCloudEdgeOffline

TwinsProduct内容提要1ANSYS基于仿真的数字孪生技术2ANSYS数字孪生平台与技术路线3风电数字孪生应用案例价值介绍Foundedin

1986About100highlydedicated

employeesTurnoverof31M€in

2017800customersinall

industriesLocalteamsintheNordics,Balticsand

UKEDRMedesogroup–AHappyEliteChannelPartner

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DigitalTwinIndustrial

IoT

PlatformAsset

inOperation系统仿真&数字孪生的价值实施方案:

建立风电站的DTW（风力发电数字孪生）

模型高保真模型数字孪生ROM系统分针风速&

风向疲劳损坏?电力输出?模拟预测?仿真分析!叶片螺旋角–

运维优化(shut

down,

etc)螺距=

叶片旋转TSR

–

叶尖速比(叶尖速度与风速之比)数字孪生-部件模型-系统组成Fluid

FlowSimulationStructuralanalysisElectro-magneticanalysisWind

speed&

direction有效转矩转子轴上的反作用负荷发电机_电压/电流基座焊缝/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WindVelocityWindAngle旋转速度结构负载Currentsweep瞬态位移应变/应力，破坏？PowerPositionsweep发电性能评测发电机机械结构维护电流/电压叶片螺旋角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:CFD

ROM(responsesurface)瞬态振动:SPM

ROM静态应变:FMU

ROM(responsesurface)电磁仿真:MaxwellROM(ECE,

sweepover

positions)嵌入式软件：SCADE创建CFD

ROM´s...WindConditionsTransientResponseFatigueDamage风场流动模拟–

CFD

ROMInput: -

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)ReducedOrderModel

will:Correlatetheincomingwindconditionstoreactionsontherotoraxle(forcesand

moments).建立风场条件---转子轴上映射关系(力和力矩)。电磁–

Maxwell

ROMInput: -

转轴扭矩(随时间变化)Output:

-栅极电压(随时间变化)-栅极电流(随时间变化)内部电路参数etc.ReducedOrderModel

will:建立时变的转轴转矩与发电机输出到电网功率(currentand

voltage)

的映射关系

(customers

system).创建电磁

ROM´s...WindConditionsAvailable

TorqueElectricalPower创建瞬态振动

ROM´s...WindConditionsTransientResponseFatigueDamage瞬态振动–

Dynamic

ROMInput: -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)ReducedOrderModel

will:Capturethedynamicvibrationsinthetowerdue

tothechangingwind

conditions.捕捉塔中由于风向变化而产生的动态振动。创建静态应力ROM´s...WindConditionsTransientResponseFatigueDamage静态应力分析–

FMU

ROMInput: -

位移和旋转

(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ReducedOrderModel

will: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Ansys

Workbench平台创建DX-ROM

(FMU格式)GeometryStaticStructural

(FEM)Parameter

StudyDX-ROM—生成响应面(建立输入、输出参数之间的关系)Designof

ExperimentsResponse

SurfaceInputsOutputsTableofDesignPointsEachrowisonesimulation创建DX-ROM(以FMU的格式导入到Twin

Builder中)RelatingtheInput-toOutput

ParametersInputDisplacementsOutputStressesSCADE

–

控件和嵌入式软件Input: -

风速,

风向转子转速,

叶片螺旋角Kp,Ki,

KdTargetTSR,AlarmLevel,

etc.Output:

-

叶片螺旋角TSRAlarm,

etc.嵌入式软件通过FMU导出控制算法（SiL）ReducedOrderModel

will:Controlthepitchangleoftherotorbladesdependingontheincomingwindspeed,toobtainanoptimalTSRvalue.根据传入风速控制动叶螺距角，得到最优TSR值。InSCADE

Suite应用Twin

Builder搭建多学科系统模型Wind

direction转子速度控制反馈Wind

speedTSR定位点应用Twin

Builder搭建多学科系统模型WindConditionFluid

FlowSimulationsMaxwellSimulationsOutput

Voltagefrom

generator系统仿真–

仿真电压输出–

电力电子团队系统仿真–

应变仿真–

结构设计团队WindConditionFluid

FlowSimulationsModal

(Transient)AnalysisStructural

(Stress)AnalysisWindConditionFluidFlowSimulationsSystemModel

&EmbeddedSWTip-Speed-Ratio系统仿真–

控制算法–

软件控制团队数字孪生–

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51PreventiveMaintenanceValueAddedServicesFeedbackto

EngineeringSimulation

PlatformDigital

TwinSimulation

OutputsConnectingtheReal“Thing”..anditsDigitalTwin..InOperation

!IndustrialIoT

PlatformBigDataStreamingBigDataAnalyticsHistory,TriggersSecurityConnectivityInputsDataActualAssetin

Operation风力发电数字孪生部署流程数字孪生与预测维护Twin

Builder提供了解决这些挑战的核心能力:Ansys

Twin

Builder支持多种建模语言：支持Modelica,

VHDL-AMS,

C/C++,

SPICE

等语言可扩展的多学科专业模型库：电气,、电子、机械、流体、热力、信号库等与第三方工具(包含1D)

集成：支持FMI/FMU,

与ANSYS

3D和第三方Model

Exchange&

co-simulation3D降阶模型生成与集成：通过ROM

(Dynamic,

Static

and

DX)

实现3D物理模型的简化与嵌入式软件集成：SCADE

Sui