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        CAE技術在數字孿生中的作用及可行性
        • 時間: 2020-03-09
        • 作者: rootfea
        • 文章來源: 原創

        鑒于數字孿生(Digital Twin,即數字雙胞胎)技術已被各行大佬多次提起,又因為筆者傳感器技術出身、CAE技術立身的特點,再加上最近新冠肺炎疫情對工作的影響算是有一點時間,也撰寫一篇數字孿生與CAE技術相關的內容,主要描述下CAE技術在數字孿生中的作用、數字孿生技術當前是否可行以及怎樣可行的問題,限于筆者的文筆水平,不妥之處還望各位多多指點。


        數字孿生

        數字孿生介紹


        數字孿生的概念以及內容已經有很多人多次撰文說明,這里就不詳細描述了;CAE技術的概念以及應用也已經有很多人多次闡述并實現,也就不詳細描述了,讀者如果有些概念不知道,可以參閱相關資料。數字孿生是近三五年火熱起來的,文獻可能比較少,誰有興趣可以來找我;CAE技術在國內實際應用已有二十年之久,所以資料還是比較多的,有興趣的朋友也可以參閱本公眾號(鑒于工程應用的特點,理論內容會比較少)。


        CAE技術

        CAE技術在車輛中的應用


        數字孿生技術貫穿于實體產品的全生命周期,因此不管是處于產品設想、設計、制造、驗證、交付還是使用的任何階段,都會接觸到;同時不管是從事一線作業、現場管理以及后臺統籌的更行各業,也都會切深體會到,所以數字孿生會被很多人理解并認識,筆者看來,這主要歸功于它有一個好聽并響亮的名字。


        數字孿生其實是一個老生常談的問題,是一種自從計算機誕生以來就等待人類去發掘并實現的技術。在很多行業已經建立了所謂的數字孿生體,但是與本文提到的數字孿生,還是有一定區別,因為本文描述的是解決數字孿生的終極問題,而不是僅僅穿上華麗外衣的半成品,或者是貓和咪的問題。


        數字孿生核心技術
        數字孿生體的核心技術,在筆者看來可以分為三類:3D模型重構技術(本文暫定為:A技術)、3D模型驗證技術(本文暫定為:B技術)以及模型數據傳遞技術(本文暫定為:C技術)。3D模型重構技術包括CAD建模、VR顯示等;數據傳遞技術包括傳感器、數字主線、大數據、流程化管理等,這兩類技術筆者雖有涉獵但不擅長,也就不獻丑了。3D模型驗證技術包括CAE建模、數值算法實現、數據處理等,這是本文討論的重點。


        模型重構之VR顯示技術

        模型重構之VR顯示技術


        數字孿生核心技術關系圖

        數字孿生核心技術關系圖


        數字孿生中三類核心技術的關系是:A通過C把數據傳遞給B用于計算,B通過C把數據傳遞給A用于修正,往復作業,自始自終,不始不終,直至產品的滅亡與消失,所以,一個完整的數字孿生體應該包括ABC三類技術。從技術的應用以及市場的發展來看,A技術與C技術基本上已大范圍實現,所以數字孿生體是可行的,但是B技術就難說了,為什么呢?


        B技術雖然發展了有二三十年,但是比起其他兩類技術還是落后了很多,主要原因是物理世界的復雜多樣性導致人類顧此失彼以及計算機算力的限制導致我們力不從心。本文把計算機算力叫做“硬傷”,把物理世界的復雜多樣性叫做“軟傷”。


        先說“硬傷”:計算機算力雖然不夠,但還是可以計算很多數據的。不夠的原因是我們希望獲得實時數據,而不是1年后才后知后覺,有時候實在等不起??;如果在一定時間內,我們獲得的延遲數據在可以接受的范圍內,這個“硬傷”也就可以不考慮,比如10分鐘、半小時、一天等,有時候我們還是可以等等的。雖然筆者從事的是“虛擬仿真”工作,但不能玩“虛的”,噴子可以自己搜索相關資料,算力不夠是現實問題。雖然量子計算機是可以解決硬傷問題的,不過還是有些“虛”??!


        超級計算機-中國天河

        超級計算機-中國天河


        再說“軟傷”:軟傷”是本文討論的重點。物理世界的復雜多樣性是客觀存在的,幾乎每個產品都處于力場、流場、熱場、電磁場以及多場耦合環境中,這還僅僅是三維空間內的描述,也不涉及量子力學、神經學等所謂的“玄學問題”。那么“軟傷”具體是什么呢?就是我們造出一種產品時,有些物理環境我們并沒有深入考慮,我們都是在滿足一定誤差范圍內造出的產品。關于這些誤差,誰又敢說一定沒有問題呢?通過多年的觀察與經驗可知,產品出現嚴重事故往往都是因為小問題誘發的,或者說是這些不起眼的誤差導致的。如果在產品交付前,我們把所有的物理問題都搞清楚是否可行呢?我想很多工程師都會否認,也是等不起的原因。所以“軟傷”是一種難以解決的問題,數字孿生技術的提出從本質上來說就是為了解決這些“軟傷”問題,因為任何產品都具有一定程度內的“軟傷”。


        通俗點說,數字孿生中的老二是老大的備胎,因為老二是個虛擬的玩意,所以你可以任意蹂躪而不用為其承擔嚴重后果。


        還說“軟傷”:“軟傷”的客觀存在不再說明,那么“軟傷”是否可解決呢?可以肯定的是,在一定范圍是可以解決的!因為人類的“軟實力”足夠強大!摸著石頭過河唄。所以重點是什么?摸!怎么摸,摸什么?這也是本文的關鍵:用數字孿生體來“摸”現實世界!治療“軟傷”需要多方位下手,不能孤立地解決(孤立也解決不了,所以才有人提出數字孿生)。治療“軟傷”不僅要考慮“硬傷”的問題,還需要考慮“A技術”與“C技術”的問題,“軟傷”是一種紐帶,也是一個綜合性問題!


        又說“軟傷”:舉一個高架橋段的例子,“軟傷”是客觀存在的,比如CAE工程師潛意識地就可以想到:1、我們很難確定這個橋面上是否有超載車輛通過,因為有時候車輛是否超載就很難衡量清楚;2、橋面車輛快速還是慢速通過,也很難約束,太多不確定性了;3、高架橋是否出現磨損等損害?哪里出現損害也不易確定;4、高架橋中的混凝土與鋼筋是否老化?哪一處老化同樣不易跟蹤;5、暴雨、暴風、雷電、地震、季節變化等自然力對高架橋的實時影響力很難檢測;6、即便某路人肉眼已發現高架橋出現裂縫,也很難反饋到維保部門,即便反饋到維保部門也不一定看懂,看明白了也不知如何加固等;7、8、9等問題就不一一列出了??傊?,可以確定的是某高架橋段可能在某個時刻垮塌了。后期如有時間,筆者可以建立此橋的簡易版數字孿生模型。


        又說“軟傷”補:高架橋段的“軟傷”問題其實就是力學、熱學等CAE技術方面的物理場建模問題,也是CAE技術中的載荷追蹤等工況問題,同樣是數字孿生中的“A技術”與“C技術”反饋問題。這些問題其實可以解決,以下說明高架橋段物理場建模問題的可行性,當然只說明部分問題,實際問題還是有些太復雜,篇幅不夠啊。


        CAE建模要點
        高架橋段主要包括橋面,其實也包括了橋柱、地基等部分,還包括橋面上的人和車輛等。如果都按照實際情況建立物理模型,那數字孿生能解決問題就是在吹牛了,因為即便是有了量子計算機,也不可能把所有內容都算出來。上面已經提到的人、車、橋面、橋柱、地基等現實情況,可以通過CAE技術來實現物理建模,沒有提到的組成部分其實也可以CAE建模,這些其他部分從技術的角度來看無外乎是量的問題,與本質關系不大,所以不展開描述。


        某垮塌的高架橋段

        某垮塌的高架橋段


        怎樣利用CAE技術來對高架橋段進行物理現實的CAE建模呢?


        先說點、線、面、體四類CAD模型要素,因為這些要素是建立任何CAD模型的基礎,而CAD模型又是CAE模型的基礎,CAD模型大家見的多了。但是這里說的點線面體,不能僅僅是CAD中的點線面體,因為CAD中的四要素一般用于計算產品的長度、面積、體積、重量等幾何與物理量信息,還遠遠達不到CAE中要求的點線面體四要素。CAE中模型四要素是點元、線元、面元以及體元,看起來和CAD類似,其實有本質區別,甚至樣貌都不一樣,或則和說不知其樣貌如何,具體的不同之處這里不做深入闡述,我們只需要知道:需要建立高架橋段的點元、體元、面元、體元及其結合體才能形成CAE模型的基礎內容就行了。


        以上提到的人、車、橋面、橋柱、地基等5大實體模型,該怎樣建立其點元、線元、面元以及體元呢?如果是CAD建模,那是很干脆并且相對容易的,所見即所得,橋面上的人只需要建立人的3D模型,所以男人是男人、女人是女人,胖瘦不一等等。但是CAE不一樣,我們建模時需要考慮人對路面的影響,以及路面對人的影響,所以有時候人可以建立一個點元--質量點—反應人的重量;有時候人可以建立一個面元--承力面—反應人對腳低區域的壓力。因此,人該建立哪一種CAE模型,需要考慮其應用背景,當然也可以把各種情況建立出來,然后在不同場景下使用,不過花費的時間太長--“黃花菜都涼了”。


        按照工程思想,建立CAE模型都是按照難易程度做的,以下分別說明5大實體模型的CAE建模內容:


        1) 人的CAE物理模型:由于當前高架橋的人,主要是考慮其對高架橋的表面壓力,所以一般情況只需要建立點元即可,并明確不同人的重量以及重心。由于人的體重一般只有75kg左右,相比高架橋動輒百噸來說,還是比較小,所以人用質量點來代替的誤差在幾公斤范圍內是可以接受的,總不能是在橋上落了一片羽毛也考慮吧。


        2) 車的CAE物理模型:車和人類似,但是其稍微復雜,所以車可以是點元的擴充,比如可以把車的大體輪廓以及與路面接觸的輪胎著力點做出來,這樣車的模型就可以是點元與面元的綜合。


        3) 橋面的CAE物理模型:橋面是核心,點元估計是不行的。橋面應該建立什么模型呢?至少需要線元和面元,還包括局部的體元。需要線元是因為其計算量少可以快速評估其承載變形,需要面元是因為其計算量適中可以快速評估一定的強度分布,需要體元是因為其局部區域的強度、損傷、疲勞以及斷裂情況需要關注。當然具體應該建立哪一種CAE模型,還需要進一步確認,也就是說橋面的建模會是線元、面元以及體元的結合體。


        4) 橋柱的CAE物理模型:橋柱與橋面的情況差不多,當然在某些情況下,橋柱的模型可能為0,因為其可通過CAE中的載荷工況條件來代替,也就是行業內常說的橋柱對橋面的支撐效果,估計傻了吧,橋柱可以不建模。


        5) 地基的CAE物理模型:地基與橋柱的CAE物理模型情況幾乎一樣。


        CAE技術的三大要素

        CAE技術的三大要素


        5大實體模型按照以上思路建模,基本上就把物理模型描述清楚了,再進步處理各自的力學連接關系,就可以用于實際計算了??紤]到高架橋段交付前后的差異,以及在實際使用過程中的變化,還需要對5大實體模型進行參數化設計,通過數據變量接收各種載荷信息并重新計算、重新構型以及實時演變,這些情況是可以實現的,本文不詳細描述。


        CAE物理模型的創建過程盡管看起來比較抽象,但是對于一線CAE工程師而言,并不是遙不可及的,都是每天實實在在解決的問題。我們需要的只是沉下心來一一完成各種技術細節以及內容而已。


        對于完整的數字孿生來說,完成5大實體模型的CAE物理基礎建模,只是完成了上文提到的“B技術”中的一個環節,其他“B技術”也可以按照以上CAE技術思路進行把脈,比如模型連接問題、靜動力學雙重計算的載荷傳遞問題、流體與固體力學計算的耦合場問題、核心結果數據的提取與后處理問題等,此處同樣不再詳細描述。數字孿生中的“A技術”與“C技術”也是需要考慮的,如果“B技術”已經完成各種建設工作,只需要傳遞與接受其他兩種技術的信息就行,當然其他兩種技術對“B技術”會有一定影響,那就再次完善“B技術”。


        總結

        通過以上說明,可以看出數字孿生技術是可行的,最不濟也是具有了可行的基礎。假設3D模型重構與顯示技術以及模型數據傳感與傳遞技術沒有大的障礙(事實上確實有各種應用場景了),數字孿生技術的難點就是3D模型的仿真驗證問題,而仿真驗證的難點就是CAE技術的應用問題,盡管CAE技術還不完善,但是卻可以實現多種計算,像本文提到的高架橋段問題,幾乎可以完全實現其數字孿生體的建立,在數字孿生體的信息反饋下就可以確保人類的生命安全。


        未來的數字孿生體

        未來的數字孿生體


        就像大佬們所說:未來的產品交付,一定是現實模型與虛擬模型的雙重交付,讓數字孿生中的“老二”為“老大”提供全面保障,確?!袄洗蟆痹谏乐芷趦葴p少對人類的傷害,最大可能地服務于人類生活。大家一起努力吧!

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