金门大桥数字孪生实战

当约瑟夫施特劳斯、莱昂莫伊塞夫和查尔斯奥尔顿埃利斯在 1917 年设计旧金山的金门大桥时，工程师们很可能知道它将成为一座举世闻名的桥梁。毕竟，当它在 1937 年通车时，它是世界上最长、最高的悬索桥。他们无法想象其他工程师有一天会创建桥梁的数字孪生，但这就是 Ozen Engineering的工程师在 Ansys 软件的帮助下所做的事情。

Ozen Engineering 是经 Ansys 认证的精英渠道合作伙伴。当该公司想要创建一个演示如何在Ansys Twin Builder中使用降阶建模 (ROM) 时 ，他们无需费力地寻找示例。金门大桥位于加利福尼亚州桑尼维尔的公司总部以北不到 50 英里处。

“我们想要人们可以识别和容易理解的东西，”Ozen Engineering 副总裁 Chris Cowan 说。“金门大桥是世界上拍照最多的桥梁之一。每个人都知道它的样子。”

Cowan 与 Ozen 应用工程师 Ahmed Elghandour 和 Anchong “Stephen” Liu 着手创建一个模型来捕捉桥梁上的风压，该模型将在 Twin Builder 中用于计算桥梁结构上的力，如风向或速度变了。

无论是创建标志性桥梁的数字版本还是任何其他结构或系统，Ansys 数字孪生工作流程都是相同的。你都需要一个干净的几何体进行网格划分和求解，然后创建一个降阶模型 (ROM) 并通过 Twin Builder 分析该 ROM。

1、几何

Ozen 的第一个挑战是不仅要创建桥梁的几何形状，还要创建周围景观的几何形状。该公司使用来自 GrabCAD 社区的开放几何并将其与该区域的地形几何合并，后者是通过名为 Topographic STL maker ACT 的 Ansys ACT 工具获得的。ACT 是一个易于使用的开发环境，它使用 XML 和 IronPython 编程语言使非专业用户能够为高级工作流创建自定义应用程序。

“部分问题在于几何。它不是为仿真而构建的，”Cowan 说。“清理工作是 Ansys SpaceClaim 3D 建模器的工作，而且效果很好。”

2、网格化

除了演示如何创建数字孪生之外，Ozen Engineering 还想展示Ansys 的 Mosaic Meshing 技术，该技术可以自动将不同类型的网格与一般多面体元素连接起来。Ansys Fluent中新的 Poly-Hexcore 功能 使用该技术用八叉树填充主体区域，在边界层保持高质量的分层多棱镜网格，并使用一般多面体元素将两个网格保形连接。

“桥梁的大小需要一个复杂的网格，以便在模拟中捕捉所有不同的尺度，”考恩说。“多亏了 Ansys Fluent 网格划分，这变得简单而高效。”

我们说的是多大的网格？流体模型尺寸为 7,670 mx 6,150 mx 720 m 3，需要 480 万个 Poly-Hexcore 单元和 1450 万个节点。

3、仿真求解

“计算流体动力学 (CFD) 本质上是一个非线性问题，如果将其解决为简单的层流或更复杂的湍流问题，它可能会变得复杂，”Elghandour 说。“我们使用的模型有一个多面体六角网格，这是网格划分的最新技术之一。”

为了展示求解 Poly-Hexcore 网格的准确性和速度，Ozen 决定求解一个湍流模型（K-Epsilon，realizable）。

4、为数字孪生构建 ROM

Fluent 中内置了设置 ROM 的功能，并且可以在 Ansys DesignXplorer 中生成，Ansys DesignXplorer 是一个集成的 Ansys Workbench 应用程序，用于探索、理解和优化你的设计。Ozen Engineering 设置了最大风速范围和多个风向分量，然后据此创建了一项研究来填充和构建 ROM。

使用基于风矢量的实验设计 (DOE) 研究为 Twin Builder 创建了一个功能模型 (FMU)。“我们研究了风向以及典型速度条件的最小和最大范围，”Elghandour 说。

5、通过 Twin Builder 实现 ROM

模拟完成后，Ozen 工程师提取了 ROM 文件以在 Twin Builder 中使用，以预测使用不同输入时的结果。

Ozen Engineering 在 Twin Builder 中创建了一个数据连接器，该连接器使用 Python 脚本通过 HTTP 访问美国 国家海洋和大气管理局网站，以获取实时更新的风速和风向数据。该数据与 Twin Builder 项目绑定，以通过 ROM 进行评估。

“你可以在模拟过程中选择任何时间步长并评估不同的结果，”刘说。“脚本从网站读取过去两个小时的数据，并在接下来的两个小时内不断捕获它，并显示结果。”

数据以图表格式呈现，ROM 查看器提供不同时间步长的结果数据的可视化显示。例如，可以近乎实时地可视化桥梁和塔上的压力分布。实时数据每 15 秒发送一次，但由于网站数据点每五分钟更新一次，因此每五分钟才更改一次。

“这个数字双胞胎的美妙之处在于它很实用，但没有太多细节，因此大多数人都很容易理解，”Elghandour 说。“同时，这是一个复杂的 CFD 问题。”

“Ozen Engineering 的团队认识到实时模拟为预测性维护和运营规划带来的力量，”Cowan 说。“我们将继续开发多物理场数字孪生与物理原型硬件相结合，以展示多功能能力。”

这些项目旨在便携、易于理解并且易于使用手持设备进行验证。他们的原型库存包括：

• 预测机翼升力的风洞流体动力学应用程序。
• 一种双金属带热电结构应用，可预测变形、电势和焦耳加热温度作为驱动电流的函数。
• 一种预测磁场分布的静磁电感线圈应用。

原文链接：http://www.bimant.com/blog/golden-bridge-digital-twin/