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仿真技术支撑产品数字孪生应用白皮书Ansys 联合 e-works 发布White Paper近年来，数字孪生技术（Digital Twin）成为各界关注的热点，全球权威 IT 研究机构 Gartner 在 2017 至 2019 年连续三年将数字孪生作为十大战略前沿技术之一。随着计算机的计算与存储能力迅速提升、成本迅速下降，三维建模技术的全面普及，虚拟仿真、虚拟现实/增强现实、传感器和物联网等关键使能技术的迅速发展，数字孪生技术产生了广泛的应用场景。为了帮助企业更好地理解和应用数字孪生技术，明确仿真技术在数字孪生技术中的应用方法与价值，e-works 联合全球仿真软件领导厂商 Ansys 公司发布了本白皮书。白皮书将系统介绍数字孪生成熟度模型和实施路线图，剖析仿真技术如何助力企业实现数字孪生，并分享相关实践案例。本白皮书致力于帮助企业正确理解和应用数字孪生技术，真正为企业创造业务价值。目录引言 3一、数字孪生的内涵与使能技术 31.从产品全生命周期视角解读数字孪生的内涵 32.数字孪生的基本特征 43.数字孪生的关键使能技术 5二、面向产品全生命周期的数字孪生应用 71.产品研发阶段的数字孪生应用 72.产品工艺规划和制造过程的数字孪生应用 83.产品测试阶段的数字孪生应用 84.产品服役阶段的数字孪生应用 85.产品报废回收再利用阶段的数字孪生应用 96.面向产品的数字孪生技术应用价值 9三、仿真技术支撑产品数字孪生应用 10四、产品数字孪生应用实施路线图 15五、产品数字孪生应用的实践案例 181.汽车行业 182.装备行业 193.航空航天与国防行业 20六、总结 21Contents目录近年来，数字孪生技术（Digital Twin）成为各界关注的热点，全球权威 IT 研究机构 Gartner 在 2017 至 2019 年连续三年将数字孪生作为十大战略前沿技术之一。随着计算机的计算与存储能力迅速提升、成本迅速下降，三维建模技术的全面普及，虚拟仿真、虚拟现实/增强现实、传感器和物联网等关键使能技术的迅速发展，数字孪生技术产生了广泛的应用场景。任何物理实体都可以创建其数字孪生模型，一个零件、一个部件、一个产品、一台设备、一把加工刀具、一条生产线、一个车间、一座工厂、一个建筑、一座城市，乃至一颗心脏、一个人体等。对于不同的物理实体，其数字孪生模型的用途和侧重点差异很大，但其共同特点是对物理对象建立高保真度的数字孪生模型，通过传感器和物联网实现物理对象和数字孪生模型的双向映射，再对数字孪生模型进行可视化和仿真分析，优化其对应的物理对象的性能和运行状态，诊断和预测可能出现的故障，提升运行绩效。数字孪生技术的应用场景横跨了其物理对象的设计/制造、运营服务到报废回收再利用的全生命周期。当前，业界对于数字孪生技术还存在一些模糊甚至错误的认识，给数字孪生技术披上了一层神秘的面纱。e-works 认为，如果不能正确理解数字孪生技术的基本内涵就囫囵吞枣地应用数字孪生技术，很可能会“走入歧途”。为了帮助企业更好地理解和应用数字孪生技术，明确仿真技术在数字孪生技术中的应用方法与价值，e-works 联合全球仿真软件领导厂商 Ansys 公司发布了本白皮书。白皮书将系统介绍数字孪生成熟度模型和实施路线图，剖析仿真技术如何助力企业实现数字孪生，并分享相关实践案例。本白皮书致力于帮助企业正确理解和应用数字孪生技术，真正为企业创造业务价值。仿真技术支撑产品数字孪生应用白皮书一、数字孪生的内涵与使能技术1.从产品全生命周期视角解读数字孪生的内涵从产品全生命周期的视角来看，数字孪生技术的应用是在虚拟空间中对产品全生命周期的各个阶段，如需求分析、设计与研发、采购、制造、营销、客户服务、报废与回收等全过程进行数字孪生模型的建模、仿真、分析与优化的过程。数字孪生囊括了产品全生命周期、全要素、全过程的数字化描述，即以现实产品的整个生命周期为对象进行映射，使产品孪生模型成为现实产品在虚拟环境中全生命周期的另一条产品生命线。值得一提的是，在这条产品生命线跟随现实产品的产生直至消亡之后，产品的数字孪生模型并不会因现实产品的消亡而终止其存在的意义，反而会继续将现实产品的生命在虚拟环境中延续下去，成为下一代产品诞生的知识积淀。因此，只有当产品全生命周期的数据与信息流实现闭合与循环，才能将产品及产品族的发展历程完整的保存下来，并可以随时随地清晰明了地展现出来，成为企业宝贵的财富。尽管数字孪生概念得到热捧，但在其诞生后近 20 年的时间里，在定义与内涵上并没有达成一致，但其本质是一致的，就是为了发挥数字世界与物理世界交互融合的价值。全球著名 PLM 研究机构 CIMdata 认为：数字孪生模型不可能单独存在；可以有多个针对不同用途的数字孪生模型，每个都有其特定的特征，例如数据分析数字孪生模型、MRO 数字孪生模型、工程孪生模型以及工程仿真数据孪生模型；每个数字孪生模型必须有一个对应的物理实体，数字孪生模型可以而且应该先于物理实体而存在；物理实体可以是工厂、船舶、基础设施、汽车或任何类型的产品；每个数字孪生模型必须与其对应物理实体有某些形式的数据交互，但不必是实时或电子形式。全球仿真软件领导厂商 Ansys 认为：工程仿真在传统上一直被用于新产品设计和虚拟测试，其省去了在产品发布之前构建多个原型的环节。现在，随着工业物联网（IIoT）的兴起，仿真技术开始进军运营领域。工业物联网让工程师能够与正在运行的产品上的传感器和致动器通信，从而捕捉数据并监测运行参数。这样就能在实际的产品或工艺过程上实现数字孪生模型，其能够监测实时的预测性分析并测试预测性维护工作，从而优化资产性能。此外，这种数字孪生模型还能提供相应的数据，以改善整个生命周期内的产品设计。e-works 认为，数字孪生并不是一种单元的数字化技术，而是在多种使能技术迅速发展和交叉融合基础上，通过构建物理实体所对应的数字孪生模型，并对数字孪生模型进行可视化、分析与优化，从而提升物理实体性能和运行绩效的战略举措。图 1 数字孪生与数字主线（来源：林诗万）提到数字孪生，必然离不开数字主线（Digital Thread）这一概念，数字主线是指利用先进建模和仿真工具构建的，覆盖产品全寿命周期与全价值链，从基础材料、设计、工艺、制造以及使用维护全部环节，集成并驱动以统一的模型为核心的产品设计、制造和保障的数字化数据流。数字主线承载了贯穿系统价值链的作用，用来处理数字孪生有关的数据问题，连通产品全生命周期的数字孪生模型，实现整个生命周期相关信息的无缝集成，使产品设计、工艺规划、制造和运维过程中所产生的数据能够链接、追溯和管理。通过数字主线，整个产品生命周期各阶段的关键数据可以实现同步，从而可以动态、实时地管理产品的技术状态，确保在发生变更时，各类产品信息的一致性。2.数字孪生的基本特征数字孪生的基本特征是虚实融合。通过对物理实体构建“高保真”的数字孪生模型，实现物理模型和数字孪生模型的双向映射。企业应用了数字孪生的若干使能技术，并不等于企业就实现了数字孪生，只有实现这些使能技术的交叉融合应用，才是完整的数字孪生应用。对于不同的物理实体，其数字孪生模型的用途和侧重点差异很大。站在制造业企业的视角，从应用对象的不同，数字孪生可包含面向产品的数字孪生、面向车间/工厂的数字孪生等。面向产品的数字孪生面向产品的数字孪生是指在虚拟环境中，对现实产品建立集成的多学科、多物理、多尺度、保真度等特征的仿真模型，模拟产品在物理世界中的行为和状态，在虚拟环境中构建产品物理实体全要素的数字化映射，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，来模拟、监控、诊断、预测、控制产品实体的形成过程、状态和行为，实现虚实融合。产品的数字孪生模型是一个“不断生长、不断丰富”的过程，在整个产品生命周期中，从产品的需求信息、功能信息、材料信息、使用环境信息、结构信息、装配信息、工艺信息、测试信息到维护信息，都会不断扩展、丰富和完善。数字孪生模型越完整，就越能够逼近其对应的实体对象，从而对实体对象进行可视化、分析与优化。产品数字孪生应用的重点主要集中在复杂的机电软一体化装备，例如发电设备、工程机械、机械加工中心、高端医疗设备、航空发动机、飞机、船舶、轨道交通装备、电梯，以及能够实现智能互联的通信终端产品。面向车间/工厂的数字孪生面向车间/工厂的数字孪生是各种制造资源（如机床设备、工业机器人等）的数字孪生模型按照企业实际运作的方式，根据事先设计的业务规则、生产流程等信息模型，在虚拟环境中对生产进行虚拟仿真，需构建产线、设备、产品、建筑的三维模型。面向车间/工厂的数字孪生是生产过程中各个工艺流程、工艺装备、产线和实际作业过程在虚拟空间的真实再现。工厂的数字孪生应用也分为三个方面：在新工厂建设之前，可以通过数字化工厂仿真技术来对构建工厂的数字孪生模型，并对自动化控制系统和产线进行虚拟调试；在工厂建设期间，数字孪生模型可以作为现场施工的指南，还可以应用 AR 等技术在施工现场指导施工；而在工厂建成之后正式运行期间，可以通过其数字孪生模型对实体工厂的生产设备、物流设备、检测与试验设备、产线和仪表的运行状态与绩效，以及生产质量、产量、能耗、工业安全等关键数据进行可视化，在此基础上进行分析与优化，从而帮助工厂提高产能、提升质量、降低能耗，并消除安全隐患，避免安全事故。产品数字孪生模型与工厂数字孪生模型在产品的制造过程中可以实现融合应用。在推进工厂的数字孪生应用时，如果有高保真的产品数字孪生模型，并且在此基础上能够构建产品的制造、装配、包装、测试等工艺的数字孪生模型，以及各种刀具和工装夹具的数字孪生模型，则可以在数字化工厂环境中，更加精准地对产品制造过程进行分析和优化。3.数字孪生的关键使能技术纵观数字孪生技术的发展历程，除了制造业自身需求牵引外，还包含了数字孪生关键使能技术如：CAD 技术、虚拟仿真技术、工业物联网、VR/AR 等智能制造相关技术的发展推动与交叉融合。总结数字孪生的使能技术发展，主要包含以下几个方面：1）以 CAD 技术的发展蓬勃发展为基础CAD 技术经过半个世纪发展，经历了从二维工程绘图到三维建模设计，建模方式由线框建模、实体建模到特征建模，再到直接建模，以及多种建模方式的混合建模的发展过程，并且还在不断演进。如今，应用三维 CAD 进行产品设计越来越高效便捷，使得大部分制造企业也都已经从最初的二维 CAD 制图转向了三维 CAD 应用。通过应用三维 CAD，企业能够逐步建立产品的数字样机，用来支持总体设计、结构设计，装配工艺等协同设计工作，支持项目团队进行并行产品开发。然而，从产品全生命周期的规划设计、生产制造和运行服务等阶段来看，数字样机主要应用在规划设计阶段，用于对产品本身的功能和性能进行仿真验证和优化，缺少对产品在生产制造和运行服务阶段的技术支持。为了更深入的应用三维 CAD 技术，全三维设计和基于模型的产品定义（MBD）开始受到企业青睐。MBD 技术可以将制造信息和设计信息（三维尺寸标注及各种制造信息和产品结构信息）共同定义到产品的三维数字化模型中，MBD 不仅描述设计几何信息而且定义了三维产品制造信息和非几何的管理信息（产品结构、PMI、BOM 等)，使设计/制造厂之间的信息交换可不完全依赖信息系统的集成而保持有效的连接，使设计、制造特征能够方便地被计算机和工程人员解读，有效地解决了设计/制造一体化的问题。这些技术的不断深化应用为数字孪生技术蓬勃发展提供了有利的支撑。2）数字孪生技术离不开虚拟仿真技术的支撑虚拟仿真技术（CAE）是实现工业产品及制造过程模拟仿真与优化的核心技术，是支持工程师进行产品创新设计最重要的工具和手段，在保证产品质量的同时能大幅度缩短产品研发周期，节省产品研发成本。目前，全球制造业的发展也加快了企业对虚拟仿真技术的探索和依赖，越来越多的企业不断加大在仿真分析方面的投入，将虚拟仿真分析平台作为创新平台规划的重要部分。随着模型建立、高效算法、特色功能等方面的不断进步，CAE 技术得到了蓬勃发展。通过早期的理论探索，CAE 技术最先在结构和流体分析方面取得了巨大成就，将力学模型扩展到了各类物理场，从线性拓展到非线性，并从单物理场发展到多个物理场的耦合分析，从产品性能验证发展到仿真驱动设计；随着高性能计算和云计算等技术的发展，仿真软件在功能和性能方面不断得到扩充；仿真技术迅速发展，出现了越来越多平台化的仿真软件产品和解决方案。如今，CAE 技术已经成为对人类社会发展进步具有重要影响的一门综合性技术学科，种类繁多，例如对流场、热场、电磁场等多个物理场的仿真，对振动、碰撞、噪声、爆炸等各种物理现象的仿真，对产品的运动仿真和材料力学、弹性力学和动力学仿真，对产品长期使用的疲劳仿真，对整个产品的系统仿真，以及针对注塑、铸造、焊接、折弯、冲压等各种加工工艺的仿真，装配仿真，帮助产品实现整体性能最优的多学科仿真与优化，还有针对数控加工和工艺机器人的离线编程与仿真（其中数控仿真又可以分为仅仿真刀具轨迹，和仿真整个工件、刀具和数控装备的运动），以及面向车间的设备布局、产线、物流和人因工程仿真等。在数字化设计技术和虚拟仿真技术发展和集成应用的过程中，产生了Digital Mockup（DMU，数字原型）、Digital Prototyping（数字样机）、Virtual Prototype（虚拟样机）、Functional Virtual Prototype（全功能虚拟样机）等技术，主要是用于实现复杂产品的运动仿真、装配仿真和性能仿真。从技术角度看，仿真技术是创建和运行数字孪生模型、保证数字孪生模型与对应物理实体实现有效闭环的核心技术之一。在基于数字化样机的基础上，企业可以建立虚拟样机进行系统集成和仿真验证，可以通过仿真减少实物试验，降低研发成本，缩短研发周期，提升产品质量与可靠性。另外，数字时代的典型特征是通过无所不在的传感器网络构建的物联网广泛地搜集现实世界的海量数据，运用大数据分析技术进一步提升决策与控制能力。因此，基于数字孪生技术的建模与仿真不再是离线的、独立的、特定阶段存在的，而是可以与真实世界建立永久、实时、交互的链接。为加速在不同行业推广和部署基于物理的数字孪生技术，Ansys 联合微软、戴尔、Lendlease 等共同加入数字孪生联盟指导委员会，成员单位在数字孪生技术领域都有着深入的研究成果。例如，微软专门针对数字孪生用例开发了DTDL（数字孪生描述语言），该语言可以通过梳理来自多个数据源的信息，从而生成更详细、更真实的数字孪生系统模型。如果一件工业设备遇到技术问题，该事件可以同步到它的数字孪生模型上，给工程师一个更准确的操作画面。仿真技术不再仅仅只是作为工程师设计更出色产品和降低物理测试成本的利器。通过对数字孪生模型进行仿真与优化仿真技术的应用开始扩展到各个运营领域，涵盖产品的健康管理、故障诊断和智能维护等领域。3）工业物联网技术（IIoT）的发展，连接数字世界与物理世界的桥梁 随着传感器技术和无线通信技术的发展，物联网应用越来越广。除在消费领域应用之外，为了支持高价值工业设备的运行监控和维修维护，工业物联网应用开始受到业界广泛关注。IIoT 采集的数据类型和采集频率比普通的物联网应用高得多，而应用的数学模型和分析方法也比普通的物联网应用复杂得多。数字孪生的核心在于实现虚实融合，即物理模型与数字模型的连接与交互。因此，数字孪生还离不开 IIoT 技术发展的支撑。通过 IIoT 实现物理实体的各种数据收集、交换，并借助工业互联网平台所具备的资源聚合、动态配置、供需对接等优势，才能最终实现人、机、物等全生产要素的融合交互，并赋能基于数字孪生的数字化转型。比如，工业物联网平台向下将边缘端的设备与数字孪生模型关联，向上将数据传递、存储在云端，其他用户也可以根据自身需要通过平台的服务来建立数字孪生模型，可以说工业物联网平台激活了数字孪生的生命。除了上述技术以外，数字孪生技术还包含了虚拟现实、增强现实技术（VR/AR）等使能技术的应用。VR/AR 技术也是衔接虚拟产品和真实产品实物之间的桥梁，利用增强现实技术可以将产品模型和传感器数据进行直观展示，还能够进行逼真的产品操作和维修培训，为用户提供沉浸式产品交互体验，帮助用户感受企业智能产品的独特魅力。图 2 基于仿真的数字孪生应用随着基于模型的定义 MBD、产品全生命周期管理 PLM、三维轻量化技术、AR/VR 等关键使能技术日趋成熟，基于产品模型的数据表达也越来越完善，从而产生了各种不同类型的数字孪生模型，有基于经验公式、大数据、CAD 模型，以及基于虚拟仿真的数字孪生模型。其中，采用虚拟仿真技术建立数字孪生模型，称为“基于仿真的数字孪生”，这类数字孪生相比于其他类型的数字孪生，具有数据依赖性低、可深入洞察机理、模型成长性好、可以实现高保真等优点。在很多情况下，数字孪生模型是混合型的，需根据客观条件，选择合适模型的表征方式。二、面向产品全生命周期的数字孪生应用e-works 认为，数字孪生技术在制造业的应用前景广阔。其中，产品的数字孪生应用覆盖产品的研发、工艺规划、制造、测试、运维等各个生命周期，可以帮助企业推进数字化营销和自助式服务，有助于企业提升维护服务收入，创新商业模式。数字孪生技术在产品生命周期的不同阶段有丰富的应用场景：1.产品研发阶段的数字孪生应用在产品的设计阶段，利用数字孪生相关使能技术可以提高设计的准确性，并验证产品在真实环境中的性能，积累大量的产品设计知识。围绕产品数字孪生模型开展产品设计工作主要有以下几种应用方式：建立企业核心设计资料 使用三维 CAD 进行产品设计过程中，同一零部件的设计模型会产生多次修改，形成多个设计版本，在某次设计中被舍弃的设计版本，极有可能在后续同类产品的研发工作被参考或采用，对后续的产品研发提供巨大的参考和帮助，其价值随着记录数量的增长而快速增长，成为企业的核心设计资料。在概念设计阶段，企业还可以建立产品结构化需求的数字孪生模型，使最终产品能够很好的满足客户的各项需求。依托统一的数字孪生模型进行协同设计庞大的设计数据往往分布在不同的设计部门或同一部门不同设计人员手中，为了提高设计效率，这些设计部门与设计人员必须基于同一模型进行设计，该模型便是早期的产品数字孪生模型。此时数字孪生模型虽然还未成为产品在虚拟空间中的真实表达，但已可以随时追溯，这也使整体的研发工作必须依托统一的数字孪生模型。在研发过程中，数字孪生模型的各个零部件实时更新，使任何一个设计人员在任何时刻看到的产品设计信息都是最新的。因此，可以避免版本混乱，提高协同设计效率。虚拟环境下完成设计评审 通过对数字孪生模型进行评审，可以发现设计短板，及时变更设计管理方案，使设计任务能够按时完成，还可以应用虚拟现实技术直观地对产品模型进行全方位的评估检查，例如对整机数字孪生模型进行干涉检查。基于数字孪生模型进行虚拟试验随着设计进度不断推进，数字孪生模型具有了越来越完善的功能。数字孪生模型可应用于复杂的分析场合，如结构分析、装配分析、动力学分析或碰撞分析，还可以进行 DFM（可制造性）、DFA（可装配性）检查，大大减少实物试验。2.产品工艺规划和制造过程的数字孪生应用可以利用基于三维的结构化工艺设计平台，产生各个工序的数字孪生模型，并结合各类工艺仿真软件，验证产品制造工艺的合理性。在实物产品制造、装配环节，可以用对应的数字孪生模型来指导制造和装配过程，避免发生错误。3.产品测试阶段的数字孪生应用在产品的测试阶段，可以通过在实物样机上安装传感器，在样机测试的过程中，将传感器采集的数据传递到产品的数字孪生模型，通过对数字孪生模型进行仿真和优化，从而改进和提升最终定型产品的性能；还可以通过半实物仿真的方式，部分零部件采用数字孪生模型，部分零件采用物理模型来进行实时仿真和试验，验证和优化产品性能。4.产品服役阶段的数字孪生应用随着物联网技术的成熟和传感器成本的下降，从高端的机电软一体化装备到消费电子产品，都内置了大量传感器，来采集产品运行环境和工作状态，提升用户体验。其中，通过采集高端装备关键零部件的传感器数据，并与数字孪生模型的仿真数据进行比对，可以进行故障预警，开展预测性维修维护，避免非计划性停机，并优化运行绩效。产品服役阶段可以开展多种数字孪生应用：产品操作与维修维护培训，进行维修维护过程的远程指导基于产品的数字孪生模型，应用增强现实(AR)技术，产品的制造企业可以为客户提供产品的操作，以及拆装和维修维护过程进行可视化和交互式的培训。甚至在产品正式交付之前，也可以利用虚拟现实技术(VR)远程进行培训。在产品服役过程中，也可以基于产品数字孪生模型，由产品制造企业的维修工程师，基于数字孪生技术远程指导维修维护过程。提升产品运行绩效以风电设备为例，可以通过采集设备运行的实时数据和风向、风力、降雨等气象环境数据，结合在仿真云平台上对数字孪生模型进行仿真分析的结果，优化设备运行参数，调整设备运行的姿态。对于各类生产设备，也可以结合设备的数字孪生模型来进行仿真，优化工艺参数，提升设备运行绩效。提高设备维护保养水平，延长设备使用寿命对于高端装备产品，其数字孪生模型应当包括每一个实物产品服役的全生命周期数字化档案，通过结合维护 BOM 和 MRO（大修维护管理）等技术，提高设备的维护保养水平，延长设备使用寿命。收集产品应用情况，改进新产品性能通过采集智能工业产品的实时运行数据，工业产品制造商可以洞悉客户对产品的使用方式、产品失效模式，从而把握客户的关键需求。通过利用数字孪生模型进行仿真优化，改进新一代产品的设计方案。5.产品报废回收再利用阶段的数字孪生应用在产品的报废回收再利用生命周期，可以根据产品的使用履历、维修BOM和更换备品备件的记录，结合数字孪生模型的仿真结果，来判断哪些零件可以进行再利用和再制造。例如：SpaceX 公司的一级火箭实现了复用，如果结合数字孪生技术，可以更加准确地判断哪些零部件可以复用。在产品创新设计时，大多数零部件会重用前一代产品的零部件，如果老产品已经建立了关键零部件的数字孪生模型，同样也应当进行重用，从而提升新产品研发效率和质量。6.面向产品的数字孪生技术应用价值以制造企业的产品作为载体，“数字孪生”将创造出难以估量的应用价值。通过虚实融合、虚实映射，可以持续改进产品的性能、为客户提供更好的体验，提高产品运行的安全性、可靠性、稳定性，提升产品运行的“健康度”，在此基础上提升产品在市场上的竞争力。还可以通过对产品的结构、材料、制造工艺等各方面的改进，降低产品成本，帮助企业提高盈利能力。结合工业物联网技术，用户可以构建精确的综合仿真模型来了解实际的产品性能，在真实工况下应用仿真技术对产品不断迭代优化从而实现设计产品的优化、确认和验证设计，从而改进和提升最终定型产品的性能，以满足相关的需求并持续创新，这些功能是传统方法无法企及的。产品服役的生命周期是产品的数字孪生应用的最核心阶段。尤其是对于长寿命的复杂机电软一体化装备，这种装备后期维护成本往往较高，例如发电设备、工程机械、机械加工中心、高端医疗设备、航空发动机、飞机、卫星、船舶、轨道交通装备、电梯、通信设备，以及能够实现智能互联的通信终端产品。通过物联网采集设备运行数据，数字孪生可以反馈现实世界产品实际的质量、性能、使用的数据，甚至用户、环境以及其他系统的影响都可得到有效反馈。并与其数字孪生模型在相同工况下的仿真结果进行比对，可以分析出该设备的运行是否正常，运行绩效如何，是否需要更换零部件，并可以结合人工智能技术分析设备的健康程度，进行故障预测等。完整的产品数字孪生模型应当包括产品服役的全生命周期数字化档案。图 3 数字孪生技术闭环应用图 4 Ansys 数字孪生技术架构三、仿真技术支撑产品数字孪生应用在真实产品的运行的同时，如何在虚拟世界中构建一个同样的虚拟产品，并且能以同样的工作状态运行呢？作为全球工程仿真领域的领先企业，Ansys 给出了相应的解决办法：通过其仿真工具建立产品数字孪生模型，然后在此基础上，将数字孪生模型的仿真边界条件与真实产品上安装的传感器数据链接，从而实现物理产品在虚拟世界的映射。Ansys 数字孪生的技术架构可以概括为五个方面：系统级支持、控制系统、完整技术平台、基于物理场的仿真和集成数字孪生模型生态系统。通过构建数字孪生模型，工程师不仅可以在软件中复制机器的物理特性，还可以进行各种工况的仿真，从而实现从设计到运行的整个产品生命周期中的数字孪生应用。1.系统级支持数字孪生被称为新的系统仿真范式，是将系统仿真模型的能力扩展到产品的全生命周期，在虚拟环境中对产品进行详细设计和测试，而后使用模型生成的数据和前期在产品生命周期中收集到的数据，将实时的系统数据和系统仿真模型结合，从而精确预测产品的开发过程，预测系统的可靠性。由此可见，数字孪生模型往往是建立在复杂的、多样化的物理系统模型基础之上。处理多物理领域的系统整合仿真，解决现实世界中复杂的系统问题，正是 Ansys 的强项。Ansys Twin Builder 作为一款针对数字孪生的产品软件包，可为虚拟系统原型建模并进行仿真和分析，能帮助工程师快速构建、验证和部署物理产品的数字化表示形式，可以集成任意 IIoT 平台，并且包含运行时部署功能，从而能够在运行过程中持续监控所用的资产设备。在 Ansys Twin Builder的支持下，工业资产的连接功能与整体系统仿真充分结合，能帮助客户开展诊断和故障排除工作，确定理想的维护程序，优化每个资产设备的性能，并获得极富洞察力的数据，从而改进新一代产品。在创建数字孪生模型方面，Ansys Twin Builder 系统级建模工具支持构建数字孪生模型，从而准确地描述组件、子装配体与子系图 5 Ansys Twin Builder 功能组成统之间错综复杂的相互作用。具体而言，Ansys Twin Builder 能够将多域系统建模器的强大功能和广泛的0D应用程序专业库相结合，用于创建完整的系统模型。其中，Ansys Twin Builder 的内置库中提供了丰富的组件集合，包括相似产品和电源电子组件、控制模块和传感器、机械组件、液压组件、数字和逻辑模块等，因此，由 Ansys Twin Builder 创建的系统模型非常易于实现参数化，有助于复制物理组件。同时，Ansys Twin Builder也支持第三方工具的集成，提供对功能模型接口标准的支持，帮助工程师将各种来源的模型组合成全面的系统描述。目前，已有超过100 个工具正式支持 FMI 模型导出和协同仿真，并且全系统模型可以直接在Ansys Twin Builder进行组装。另外，Ansys Twin Builder 还支持 3D 降阶模型的生成与合成、嵌入式软件集成，这些功能有利于生成精确的基于物理学的数字孪生模型，减少工程时间。在验证数字孪生模型方面，基于Ansys Twin Builder的多域仿真与合成后处理、快速的HMI原型制作、系统优化、XIL合成等方法，工程师可以充分验证产品的准确表现，实现产品性能优化等目标。例如，工程师可利用内含于 Ansys Twin Builder 中的快速原型构建器，增强仿真体验；工程师可借助内置算法或结合 Ansys DesignXplorer 和 Ansys OptiSlang，根据指定设计变量的成本函数优化系统性能；工程师还可以使用不同的方法将软件与物理模型集成，包括模型在环设计与控制策略优化的协作仿真、对虚拟系统中真实嵌入的代码进行软件在环验证时的代码导入等。在部署数字孪生模型方面，借助 Ansys Twin Builder，工程师可以将数字孪生模型连接到各种工业物联网平台，访问测试数据和实时数据，进而帮助企业更准确的预测产品的未来性能，减少维护成本并改善操作。Ansys Twin Builder 的内置 APIs 不仅为图 6 SCADE 多核代码生成器工作流PTC ThingWorx、GE Predix和SAP Leonardo提供了无缝连接，而且还支持连接到包括自行开发平台的其他所有工业物联网平台，允许对实物资产进行预测性维护。此外，在 Ansys 2020 R1 版本中，借助 Ansys Twin Builder Battery Wizard，工程师不仅可以轻松构建电池，将其组装成电池模块，还可以简化模型生成 ECM 电池和模组的参数化，这也意味着工程师构建电池的数字孪生模型变得更为容易。总的来讲，作为数字孪生分析的最终载体，Ansys Twin Builder 不仅能帮助企业加速新一代产品的研发，还对现场运营和管理有着重要帮助。目前，基于 Ansys Twin Builder 建立的数字孪生模型主要有三个应用场合，分别是云端的数字孪生（Cloud Twins）、边缘设备的数字孪生（Edge Twins）和离线的数字孪生（Offline Twins）。2.控制系统数字孪生的价值之一就是为了应对用户对产品提出的更高要求，确保将单个组件集成至系统后，保证零部件能够按照预期方式协同工作。Ansys SCADE 是一款控制系统的解决方案，不仅涵盖了适用于高可靠性要求的系统设计环境 SCADE Architect，基于模型的关键嵌入式软件开发环境 SCADE 套件，嵌入式图形、显示和 HMI 开发以及关键安全显示认证代码生成工具 SCADE Display，还包括了用于测试、检验和验证嵌入式软件 SCADE Test，系统级软件全生命周期管理软件 SCADE Lifecycle 以及基于 ARINC 661 标准的 SCADE 解决方案，有助于了解并优化整个产品生命周期中物理、控制和环境之间的关键交互过程。最新的 Ansys SCADE 融合了 Esterel、Lustre、SAOSAGA、Lucid Synchrone 等多种语言和工具。并且，Ansys SCADE内置自动代码生成器和验证工具，在六大细分市场中获得超过 10 家全球安全机构的顶级安全标准资质与认证，保证了嵌入式软件模型可由自动生成的、无歧义的代码正确实现，也有助于构建精确的数字孪生模型。目前，Ansys SCADE 被广泛应用于基于模型的系统工程、嵌入式控制软件开发、人机交互界面软件、虚拟系统原型、功能性安全分析等领域，这些应用领域也是产品数字孪生模型的基础应用领域。Ansys SCADE 使用和真实物理机器上所用的相同的控制软件和人机界面，用以控制数字孪生模型和研发人机界面。然后，工程师可在数字孪生模型的基础上针对不同的场景或工作条件进行虚拟测试，并使用与控制物理设备所用的相同接口来查看设备的性能表现。借助 Ansys SCADE，工程师可以建立真实产品的数字孪生模型，通过虚拟传感器获得物理量信息，然后在虚拟环境进行分析，得到传统传感器难以监测的数据，例如流量、电压、电流、电机转速、内部温度等。同时，基于 Ansys SCADE，工程师也可以将来自真实世界的测试数据作为产品数字孪生模型的输入，然后进行仿真分析，以补充传统物联网平台基础数据分析的不足，从而能够检测产品的异常情况，进一步做更高阶的数据分析，例如找到异常情况出现的问题所在，并可以在虚拟原型中尝试各种解决方案。换句话而言，通过 Ansys SCADE 建立一个完整的系统仿真，并经过一系列的仿真分析，就可以在虚拟环境中反馈产品的性能与调整方案。此外，通过 Ansys SCADE，工程师还可以将数字孪生中的虚拟模型与实体模型分离，这意味着工程师可以通过离线运行来探索设备的运行状况。在 Ansys 2020 R1 版本中，Ansys SCADE 进一步提升了符合 ISO 26262 ASILD 标准的汽车嵌入式控制软件的设计和自动化代码图 7 Ansys 支持的辅助建模语言生成的速度；Ansys SCADE 套件在差异模块中提供人性化用户界面，并对 Simulink 导入器改进，同时还提供针对多重速率和多核设计的新功能；Ansys SCADE Test 可实现间隔检查，并加快鲁棒性测试速度；Ansys SCADE Vision 可通过寻找极端情况，为用户提供检测自动驾驶车辆、感知软件缺陷的快速方法。这些功能的革新，也有助于用户在数字孪生模型中构建精确的控制系统模型。3.完整的技术平台数字孪生不仅应用到 CAD、CAE、CAPP、MES 等传统软件技术，还涉及到大数据分析、云计算、虚拟现实、传感器等前沿技术。从仿真的视角，数字孪生的实现需要运用到多种技术交叉的完整技术平台，这样的数字孪生才更容易落地。在这方面，Ansys 提供的高级平台可集成众多不同的仿真工具，平台工具囊括了有限元、有限体积法等数值分析手段，ROM、LTi、SVD、ECE 等模型降阶方法，SML、VHDL、Modelica 等多种器件辅助语言为主，以 Minerva、optiSLang 等为代表的平台工具，从不同角度保证实现数字孪生的可靠性。从 Ansys 的数值仿真工具来看，已经涵盖了 3D 设计、电磁、嵌入式软件、流体、光学、平台、半导体、结构及系统的完整仿真工具。这些数值仿真工具采用多样性的本构关系、求解方法和误差控制等技术，很好地保证了计算精度，同时也让工程师更加全面的构建数字孪生模型。从 Ansys 提出的模型降阶技术来看，很好地解决了网格数量过大时计算过程中内存使用量和计算时间成倍增长的问题，进而保证了以速度和精度为衡量指标的数字孪生样机的实现。Ansys 提出的辅助建模语言，支持 C+、Spice、VHDLAMS、Modelica 等第三方语言借口，完美地解决了对于系统中一般集总器件、多物理域器件和策略装置的数字孪生建模问题。需要强调的是，作为一款新一代的知识管理应用程序，Minerva 采用了全新架构，通过在本地和云端部署，帮助客户将现有的工具和流程生态系统进行仿真和优化，不仅可以保护关键仿真数据，还可以为工程师提供仿真流程和决策支持。具体到数字孪生方面，Minerva 可显著简化，并将多个数字孪生模型连接至 IoT 的流程中。此外，Ansys 仿真技术平台还包含 optiSLang，不仅可用于探索众多条件或几何变量，同时还能快速评估各种工作条件，从而确定满足最佳性能的条件。作为 Workbench 的一款插件，通过 Workbench 中的强大参数建模能力与 optiSLang 的鲁棒性设计优化方法相结合，可以用于工程团队改善产品性能、确定优化潜力、量化风险并保障资源效率等；通过与 Minerva 的集成，可以针对链式数据流和设计空间探索自动化优化性能参数，实现多物理场流程整合和鲁棒性设计。在数字孪生的系统仿真中，optiSLang 可以构建基于仿真结果的元模型作为降阶模型，提升仿真分析效率。4.基于物理场的仿真作为数字孪生的重要组成部分，仿真技术常被用于创建产品的虚拟模型，也就是数字孪生模型。因为基于物理场的仿真创建的数字孪生模型能够完整、深入地复制复杂产品的工作情况，不仅可以帮助企业分析基础物理场以预测产品的性能表现；也可以准确地预测产品可能的性能水平以及在产品的整个使用寿命中的变化对性能的影响；甚至是一些从未遇到的工况，借助仿真技术也能全面分析了解产品的性能。图 8 Ansys 多物理场解决方案在结构方面，Ansys 不仅有 Mechanical Enterprise、Mechanical Premium、Mechanical Pro、Motion 等功能强大的旗舰产品，还拥有 Autodyn、nCode DesignLife、ACT、LS-DYNA 等别具特色的专业产品，利用这些结构仿真工具，工程师不仅可以构建囊括很多信息源的数字孪生模型，还可以将数字孪生模型提供的信息直接运用到当前的产品研发以及可制造性验证中，利用数字孪生模型解决工艺性验证发现的各种问题，大幅加速新产品的创新和推出过程。在流体方面，除了众所周知的 Ansys Fluent、Ansys CFX、Ansys Chemkin-Pro 旗舰流体仿真产品外，还包括 EnSight、Forte、Polyflow 等特色流体仿真产品。通过这些流体仿真工具，工程师可以通过仿真结果的展示执行诊断和故障排除，推荐校正措施，确定理想的解决方案，优化产品设计或设备运营，给出有助于改善