Digital Twin — 数字化的模拟仿真

发布时间：2017-05-17 作者：佚名来源：技术邻CAE学院

关键字：数字化模拟仿真

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对于使用软件进行模拟仿真，在工业3.0时代已经是很成熟的作法。作为仿真软件领域的巨头企业之一，ANSYS公司认为仿真技术的发展与工业体系发展的路线类似，也经过了以下几个时代。

即模拟单物理场的仿真1.0、模拟多物理场的仿真2.0、可模拟全系统驱动整个产品研发的仿真3.0，以及可模拟整个产品全寿命周期情况的仿真4.0。而当前的仿真技术就处于仿真3.0时代，在未来的工业4.0体系下，仿真4.0则可能是支持工业发展的基础。

提到工业4.0就要提到所谓的“赛博物理系统”（CPS），而这其中非常重要的内容就是“数字孪生”（Digital twin）。所谓的数字孪生是模拟产品从设计、生产直到最终成品的阶段，甚至要模拟产品在整个生命周期内的运行情况，模拟产品在现实环境中的行为，从而可以预测产品未来的潜在问题。这一手段可以将现实世界以数字化的方式表达出来，让产品制造企业可以有效利用数字化工具提升竞争力。

Digital Twin是一个物理产品的数字化表达，以便于我们能够在这个数字化产品上看到实际物理产品可能发生的情况，与此相关的技术包括增强现实和虚拟现实。

“数字孪生”不只是生成一个物体的数字模型，而是要把这个物体的整个运行环境和运行状态都要模拟出来，例如这条船和船下面的水和船周边的空气。

例如设计一架飞机，飞机上除机械结构以外，还有包括动力系统、飞控系统等在内的多个子系统，设计出来的飞机要经过各种实验，最终要在各种环境中运行。而“数字孪生”的概念，则是在设计真实飞机之前或同时，在虚拟的环境中也生成这样一架模拟的飞机，其中包括模拟了飞机的各种子系统，然后利用这架飞机的数字模型进行各系统的仿真实验，最终在一个数字化的虚拟环境中运行，以验证飞机及其各子系统在整个运营过程中是否有潜在的问题，可能会告诉你这个架飞机的哪个部分将要发生故障，以及如何维护等等。

这个数字孪生背后的核心技术是仿真，而仿真技术在未来已经不仅仅是驱动产品设计了，而是驱动了产品从设计、制造到运营、维护的整个流程。

虽然上述“数字孪生”的概念并不是ANSYS提出的，但ANSYS建立了一套平台，利用最新发布的ANSYS18系列软件可以实现这个未来的设想。这个平台有三大支柱：综合仿真、可以扩展解决方案、可扩展生态系统。

利用ANSYS18构建的平台，工程人员可以完成从概念设计到详细设计的连贯仿真，每种物理场包括力学仿真、流体仿真、电磁场仿真等，都可以利用不同的软件工具进行，最终结合在一起。据估计，在应用这种仿真平台的条件下，产品研发的软件总体应用成本减少50%，研发时间缩短37%，从而可以更高效的完成产品开发工作。

热学模拟——发动机进气道口的结冰状态仿真

流体力学模拟——机翼表面空气流动模拟

电磁场模拟——飞机机身雷击模拟

Digital Twin突然赋予了设计师们以全新的梦想。它，正在引导人们，穿越那虚实界墙，在物理与数字模型之间自由交互与行走。Digital Twin是智能制造系统的基础Digital twin最为重要的启发意义在于，它实现了现实物理系统向赛博空间数字化模型的反馈。这是一次工业领域中，逆向思维的壮举。人们试图将物理世界发生的一切，塞回到数字空间中。只有带有回路反馈的全生命跟踪，才是真正的全生命周期概念。这样，就可以真正在全生命周期范围内，保证数字与物理世界的协调一致。各种基于数字化模型进行的各类仿真、分析、数据积累、挖掘，甚至人工智能的应用，都能确保它与现实物理系统的适用性。这就是Digital twin对智能制造的意义所在。

智能系统的智能首先要感知、建模，然后才是分析推理。如果没有Digital twin对现实生产体系的准确模型化描述，所谓的智能制造系统就是无源之水，无法落实。

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