介紹

數(shù)字孿生是現(xiàn)實(shí)生活中對應(yīng)物的計(jì)算機(jī)模型。它們是使用基于連續(xù)體的物理驅(qū)動模擬技術(shù)和人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)算法開發(fā)的。起初，它們主要用于交通與移動、航空航天與國防、城市與基礎(chǔ)設(shè)施等行業(yè)，現(xiàn)在越來越多地應(yīng)用于不太常規(guī)的市場領(lǐng)域，如生命科學(xué)與醫(yī)療保健。 根據(jù)Fortune Business Insights的數(shù)據(jù)，歐洲的數(shù)字孿生市場是全球第三大市場。相比之下，全球數(shù)字孿生市場預(yù)計(jì)將在2030年從2022年的86億美元增長到1376.7億美元。

 

 

 

達(dá)索系統(tǒng)是虛擬孿生技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，而SIMULIA 博客文章旨在證明這一說法。 一篇先前的博客文章已經(jīng)報(bào)道了Weldex（一家一級汽車零部件供應(yīng)商）和達(dá)索系統(tǒng)在熱前照燈除霜方面的先前協(xié)作模擬工作。

 

這篇博客文章通過在達(dá)索系統(tǒng)開創(chuàng)性的 3DEXPERIENCE平臺上進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)研究（PDS），優(yōu)化了前照燈的除霜時間，該平臺使用其原生的基于納維-斯托克斯方程的計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）求解器FMK，該求解器封裝在 流體動力學(xué)工程師角色中。

 

方法論

建模與仿真（簡稱MODSIM）工作流程被采用作為PDS方法的一部分。MODSIM利用了達(dá)索系統(tǒng)公司結(jié)合的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和仿真產(chǎn)品組合優(yōu)勢。這些計(jì)算機(jī)輔助工程學(xué)科被分為CATIA和SIMULIA品牌。更具體地說，通過MODSIM，參數(shù)化的CAD模型直接連接到其下游CFD模擬場景。通過更改幾何體的參數(shù)參數(shù)，任何對CAD模型的更改都會自動導(dǎo)致CFD模擬場景中的網(wǎng)格更新。通過MODSIM，整個模擬工作流程被左移，使CFD模擬在設(shè)計(jì)過程中的使用更早，從而減少后期失敗并大幅縮短產(chǎn)品開發(fā)時間。帶有嵌入MODSIM流程的整個PDS工作流程用于熱前照燈除霜CFD模擬設(shè)置如圖1所示。隨后將更詳細(xì)地描述各個步驟：

 

1. 首先，在步驟1中，定義幾何參數(shù)，這些參數(shù)是PDS旨在研究其對優(yōu)化目標(biāo)的影響。

2. 接下來，在步驟2到3中，對基準(zhǔn)設(shè)置進(jìn)行單次CFD模擬。這是為了確保模擬配置正確而進(jìn)行的合理性檢查。

3. 之后，在步驟4中，定義用于在PDS中評估/比較每個模擬結(jié)果的相機(jī)位置和傳感器。

4. 接著，在步驟5中，通過選擇優(yōu)化目標(biāo)來指定設(shè)計(jì)改進(jìn)研究。

5. 隨后，在步驟6中，設(shè)置要運(yùn)行的PDS優(yōu)化研究的模擬次數(shù)，并運(yùn)行檢查，以確保通過MODSIM自動生成的模擬設(shè)置在幾何方面是實(shí)際可行的。

6. 在步驟7中，使用PDS圖形用戶界面來查看每次模擬運(yùn)行產(chǎn)生的結(jié)果。

7. 最后，在第8步中，選擇最佳情況和/或根據(jù)優(yōu)化的幾何形狀生成設(shè)計(jì)替代方案。

 

圖1：PDS優(yōu)化工作流程的示意圖用于前照燈除霜模擬場景

 

在描述了MODSIM和PDS的總體工作流程后，現(xiàn)在需要詳細(xì)說明Weldex頭燈幾何參數(shù)的設(shè)置。頭燈外殼的整體形狀不能改變，因?yàn)檫@是由原始設(shè)備制造商從Weldex購買頭燈時規(guī)定的；頭燈必須適應(yīng)車輛的整體組裝。因此，影響頭燈除霜時間的唯一方法是改變穿過頭燈前部的加熱絲燈絲的形狀。是燈絲進(jìn)行了參數(shù)化。參數(shù)總結(jié)在圖2中。

 

 

圖2：用于改變加熱絲形狀的參數(shù)總結(jié)

 

區(qū)分限制參數(shù)化和實(shí)際變量參數(shù)是至關(guān)重要的。圖3顯示了第一個限制是“總”高度的布線；它不能超過85毫米。圖4說明了其余的限制。電線圈的“半徑”固定為0.995毫米，“彎曲寬度”（即間距）是從“總”高度和“n”（即水平電線段的數(shù)量）計(jì)算得出的，最后，“短”端長度是通過“彎曲寬度”計(jì)算得出的。最終，在PDS中僅更改兩個可變參數(shù)，“n”和“wirewidth”，它們代表電線直徑。

 

圖3：線圈垂直“總”高度限制

 

圖4：剩余的線幾何約束：“半徑”、“彎曲寬度”和“縮短”

 

基于MODSIM的幾何參數(shù)確定后，簡要描述了模擬場景的設(shè)置。它類似于之前SIMULIA博客文章中達(dá)索系統(tǒng)公司和Weldex之間詳細(xì)描述的前照燈除霜模擬。最重要的是，通過在0°C時添加一個尖峰來啟用相變，這將溫度依賴的比熱容添加了一個尖峰。該尖峰應(yīng)使它的積分（“曲線下的面積”）等于水的融化熱。此外，需要指定的一個關(guān)鍵模擬參數(shù)是線圈的焦耳熱（即歐姆熱）值。正如方程1所示，焦耳熱（P）取決于所施加的電壓（V）、線的橫截面積（A）、線材料的電阻率（ρ）以及線的總長度（L）：

 

 

方程 1

 

在PDS探索步驟中，電壓設(shè)置為12.8V，電阻率設(shè)置為1.68e-8Ωm（對于銅）。橫截面積由焊絲直徑范圍0.1-0.2mm限定，這些數(shù)據(jù)由Weldex提供。同時，焊絲的長度在物理上由“n”從9到19的范圍限定；超出這個范圍在幾何上是不可能的。根據(jù)這些信息，計(jì)算出可能的焦耳熱范圍。為了簡化/簡化這個過程，計(jì)算出PDS研究的平均焦耳熱值。最終，規(guī)定/選擇32W。

 

一旦完成圖1所示的聯(lián)合MODSIM和PDS工作流程，將選擇五個最佳案例。選擇這五個最佳案例的標(biāo)準(zhǔn)如下：

 

1. 他們必須在瞬態(tài)模擬結(jié)束時提供高平均“冰層”溫度。

2. 它們的實(shí)際功率輸出必須接近客戶要求的30W。這意味著如果由于其較長的電線長度，它們在PDS中的表現(xiàn)/表現(xiàn)不佳（見方程1），它們的實(shí)際功率輸出非常低，那么這些電線配置將被舍棄，這意味著它們的實(shí)際除霜時間要長得多。

 

然后使用正確的焦耳熱值對這五個案例進(jìn)行模擬，該值使用方程1進(jìn)行評估。從五個具有正確焦耳熱值的模擬中，選擇在瞬態(tài)模擬結(jié)束時平均“冰層”溫度最高的模擬，以擁有最佳的線幾何形狀，從而優(yōu)化前照燈除霜時間。需要指出的是，在整個分析過程中，假設(shè)模擬結(jié)束時平均“冰層”溫度最高與總除霜時間較早有關(guān)，此時冰層已被完全融化。

 

最后，找到最佳加熱絲線圈配置后，需要檢查材料溫度界限。具體來說，前照燈外殼由一種熱塑性塑料Makrolon制成，當(dāng)溫度高于或等于408.15K時會熔化。為了確保優(yōu)化的線配置不會導(dǎo)致前照燈塑料外殼熔化，進(jìn)行了293.15K的穩(wěn)態(tài)室溫模擬，施加由16V產(chǎn)生的熱負(fù)荷。選擇16V是因?yàn)槿绻刂齐妷旱奈⒖刂破靼l(fā)生故障并切換到默認(rèn)值，施加的電壓可能會切換到這個值。如果前照燈外殼最終暴露的穩(wěn)態(tài)溫度低于408.15K，那么優(yōu)化的線配置被認(rèn)為是可接受的。

 

結(jié)果

首先，說明在PDS中探索的設(shè)計(jì)空間及其結(jié)果。如圖5所示，當(dāng)“線寬”從0.12mm變化到0.15mm，“n”從9變化到19時，進(jìn)行了44次仿真。在此階段，生成的仿真設(shè)置將被檢查以確保幾何可行性。圖6所示的窗口在PDS完成后生成，它顯示了一個圖表，比較了平均“冰層”溫度、“n”和“線寬”。溫度范圍下限的仿真被舍棄，因?yàn)樗鼈兊钠骄氨鶎印睖囟容^低。同時，溫度范圍上限的仿真也不再進(jìn)一步考慮，因?yàn)樗鼈兊膶?shí)際Ohmic加熱值會由于線長較長而非常低（見方程1）。從13到16的“n”范圍內(nèi)選擇了五個最佳的進(jìn)一步模擬場景，如圖6紅色框所示。這是因?yàn)檫@些設(shè)置具有較高的平均“冰層”溫度，且其實(shí)際Ohmic加熱值接近30W的要求。

 

 

圖5：在PDS中探索的設(shè)計(jì)空間

 

 

圖6：PDS的結(jié)果，帶有需要進(jìn)一步考慮的模擬范圍也已標(biāo)出

 

表1包含在實(shí)際Ohmic加熱值下運(yùn)行的五個模擬設(shè)置的結(jié)果。還比較了基準(zhǔn)設(shè)置以查看改進(jìn)配置的好處。最終，選擇“n”為13和“線寬”為0.14mm，“n”為14和“線寬”為0.15mm的場景進(jìn)行材料測試模擬（表1中的行標(biāo)有綠色）。這是因?yàn)檫@些模擬設(shè)置：

 

1. 提供幾乎等于30瓦的Ohmic加熱值。

2. 擁有最短的拐點(diǎn)時間，即相變開始到結(jié)束的時間。

3. 并且在瞬態(tài)模擬結(jié)束時幾乎擁有最高的平均“冰層”溫度。

 

盡管使用“n”為13和“wirewidth”為0.15mm的設(shè)置確實(shí)似乎是最佳設(shè)計(jì)，但認(rèn)為其功率等級與Weldex提供的30W目標(biāo)值相差太大。

 

 

 

用于測試材料界限的模擬在穩(wěn)態(tài)下運(yùn)行，室溫值為293.15K，由16V產(chǎn)生的熱負(fù)荷?？傮w而言，這些模擬總共運(yùn)行了2000次迭代。如圖7所示，對于所選的兩種設(shè)計(jì)，最終的穩(wěn)態(tài)前照燈鏡片溫度遠(yuǎn)低于Makrolon聚碳酸酯材料設(shè)定的408.15K閾值。因此，可以斷言，用于優(yōu)化（即縮短）前照燈除霜時間的雙線幾何形狀/設(shè)計(jì)不會使前照燈的塑料材料因熔化而失效。

 

圖7：材料界限模擬結(jié)果

 

結(jié)論

總之，基于MODSIM的PDS被用來評估線圈幾何形狀對Weldex車頭解凍時間的影響。在本PDS中，有兩個參數(shù)被積極變化：“n”，即水平線段的數(shù)量，和“wirewidth”，即線圈的直徑。從完成的PDS中選擇了五個設(shè)置進(jìn)行模擬，以正確的Ohmic加熱值進(jìn)行模擬。從這五個設(shè)計(jì)中，有兩個被進(jìn)一步探討，因?yàn)樗鼈冊谒矐B(tài)模擬結(jié)束時提供了接近最高的平均“冰層”溫度，并且接近最短的拐點(diǎn)時間，這被認(rèn)為是解凍完成的點(diǎn)，同時仍然接近30W的期望功率：“n” =13，“wirewidth”=0.14mm，和“n” =14，“wirewidth”=0.15mm。

 

在兩種情況下，都確定，通過運(yùn)行293.15K的穩(wěn)態(tài)房間溫度模擬，并施加由16V產(chǎn)生的熱負(fù)荷，Makrolon聚碳酸酯未達(dá)到其熔化溫度408.15K。最后，本研究表明，雖然線圈幾何形狀會影響解霜時間，但通過施加更大的Ohmic熱負(fù)荷可以實(shí)現(xiàn)更顯著的影響。

 

資料來源：達(dá)索官方