Cách tạo một bản sao số

Khi Joseph Strauss, Leon Moisseiff và Charles Alton Ellis thiết kế Cầu Cổng Vàng (Golden Gate Bridge) của San Francisco vào năm 1917, các kỹ sư đã nhận định rằng nó sẽ trở thành một cây cầu nổi tiếng thế giới. Sau tất cả, khi nó mở cửa vào năm 1937, nó là cây cầu treo dài nhất và cao nhất trên thế giới.

Họ sẽ không thể nào tưởng tượng rằng một ngày nào đó các kỹ sư khác sẽ tạo ra một bản sao số của cây cầu, nhưng đó là những gì các kỹ sư tại Ozen Engineering đã làm với sự trợ giúp của phần mềm Ansys.

Ozen Engineering là một đối tác ưu tú của Ansys. Khi công ty muốn trình diễn về cách sử dụng mô hình giảm bậc ( ROM

Reduced Order Model (ROM) - mô hình giảm bậc, là các phiên bản đơn giản hóa của một mô hình bảo tồn các hành vi cần thiết và các hiệu ứng chi phối, nhằm mục đích giảm thời gian giải pháp hoặc dung lượng lưu trữ cần thiết. Nó có thể tăng tốc thời gian mô phỏng của bạn mà không làm giảm độ chính xác so với mô phỏng 3D đầy đủ. 

) trong Ansys Twin Builder, họ không cần phải tìm kiếm ví dụ đâu xa. Cầu Cổng Vàng nằm cách trụ sở của công ty chưa đến 50 dặm về phía Bắc.

Phó chủ tịch của Ozen Engineering- Chris Cowan nói: “Chúng tôi muốn một cái gì đó mà mọi người có thể dễ dàng nhận ra và hiểu được nó. Cầu Cổng Vàng là một trong những cây cầu được chụp ảnh nhiều nhất trên thế giới, mọi người đều biết nó trông như thế nào”.

Cowan, cùng với các kỹ sư ứng dụng của Ozen- Ahmed Elghandour và Anchong “Stephen” Liu bắt tay vào tạo ra một mô hình mà sẽ nắm bắt áp lực gió trên cây cầu, mô hình này sẽ được sử dụng trong Twin Builder để tính toán các lực trên kết cấu cầu theo hướng gió hoặc vận tốc gió thay đổi.

Năm bước tạo bản sao số của Cầu Cổng Vàng

Cho dù tạo ra phiên bản kỹ thuật số của một cây cầu mang tính biểu tượng hay bất kỳ cấu trúc hoặc hệ thống nào khác, quy trình làm việc bản sao số của Ansys đều giống nhau.

Đầu tiên bạn cần một hình học rõ ràng để chia lưới và chạy giải, sau đó bạn tạo một mô hình giảm bậc ( ROM

Reduced Order Model (ROM) - mô hình giảm bậc, là các phiên bản đơn giản hóa của một mô hình bảo tồn các hành vi cần thiết và các hiệu ứng chi phối, nhằm mục đích giảm thời gian giải pháp hoặc dung lượng lưu trữ cần thiết. Nó có thể tăng tốc thời gian mô phỏng của bạn mà không làm giảm độ chính xác so với mô phỏng 3D đầy đủ. 

) và phân tích ROM

Reduced Order Model (ROM) - mô hình giảm bậc, là các phiên bản đơn giản hóa của một mô hình bảo tồn các hành vi cần thiết và các hiệu ứng chi phối, nhằm mục đích giảm thời gian giải pháp hoặc dung lượng lưu trữ cần thiết. Nó có thể tăng tốc thời gian mô phỏng của bạn mà không làm giảm độ chính xác so với mô phỏng 3D đầy đủ. 

đó thông qua Twin Builder.

1. Hình học

Mô hình CAD Cầu Cổng Vàng

Thử thách đầu tiên của Ozen là tạo ra một hình học không chỉ của cây cầu mà còn cả cảnh quan xung quanh. Công ty đã sử dụng một hình học mở từ cộng đồng GrabCAD và hợp nhất nó với hình dạng địa hình của khu vực thu được thông qua một công cụ Ansys ACT có tên là Topographic STL

STL () - STL là định dạng tệp được hỗ trợ bởi nhiều gói phần mềm; nó được sử dụng rộng rãi để tạo nguyên mẫu nhanh, in 3D và sản xuất có sự hỗ trợ của máy tính (CAM). Các tệp STL chỉ mô tả hình dạng bề mặt của một đối tượng ba chiều mà không có bất kỳ biểu thị nào về màu sắc, cấu trúc hoặc các thuộc tính mô hình CAD phổ biến khác.

.

ACT là một môi trường phát triển dễ sử dụng, sử dụng ngôn ngữ lập trình XML và IronPython để cho phép người dùng không chuyên tạo ứng dụng tùy chỉnh cho quy trình công việc nâng cao.

Mô hình địa lý Cầu Cổng Vàng

Theo Cowan: “Một phần của vấn đề là hình học. Nó không được xây dựng để mô phỏng. Việc dọn dẹp “làm sạch” mô hình là một công việc cần phải làm với công cụ hình học 3D Ansys SpaceClaim, và nó xử lý rất tốt vấn đề này.”

2. Chia lưới

Chia lưới Cầu Cổng Vàng để mô phỏng

Ngoài việc trình diễn cách tạo ra một bản sao số, Ozen Engineering muốn giới thiệu công nghệ Ansys Mosaic Meshing, công nghệ này tự động kết nối các loại lưới khác nhau với các phần tử đa diện.

Tính năng mới Poly-Hexcore trong Ansys Fluent sử dụng công nghệ này để điền đầy phần lớn vùng thể tích bằng lưới lục diện, duy trì các lớp lưới lăng trụ đa giác tại lớp biên và kết nối một cách thích nghi hai loại lưới này bằng các phần tử đa diện.

Cowan nói: “Kích thước của cây cầu đòi hỏi một lưới phức tạp để có thể nắm bắt tất cả các tỷ lệ khác nhau trong một mô phỏng. Nhờ tính năng chia lưới Ansys Fluent, điều đó trở nên đơn giản và hiệu quả.” Chúng ta đang nói về một lưới lớn đến mức nào?

Kích thước mô hình chất lưu là 7.670 m x 6.150 m x 720 m3, yêu cầu 4,8 triệu phần tử Poly-Hexcore và 14,5 triệu nút.

3. Chạy giải

Kết quả mô phỏng cho bản sao số Cầu Cổng Vàng

Elghandour nói: “Tính toán động lực học chất lưu ( CFD

Computational Fluid Dynamics (CFD) - Tính toán động lực học chất lưu (chất lỏng, chất khí), là một nhánh của cơ học chất lưu sử dụng phân tích số và cấu trúc dữ liệu để phân tích và giải quyết các vấn đề liên quan đến dòng chất lưu.

Ansys Fluent và Ansys CFX là hai trong số các phần mềm mô phỏng CFD hàng đầu thế giới của hãng Ansys.

) là một bài toán phi tuyến trong tự nhiên, và nó có thể được giải quyết bằng cách giải nó như một bài toán chảy tầng đơn giản hoặc nhiều dạng bài toán chảy rối phức tạp hơn.

Mô hình chúng tôi đang sử dụng có lưới “Poly-Hexcore” – lưới đa diện có lõi lục diện, đây là một trong những công nghệ mới nhất về chia lưới”. Để chỉ ra độ chính xác và tốc độ giải lưới Poly-Hexcore, Ozen quyết định giải một mô hình rối (K-Epsilon, realizable).

4. Xây dựng một mô hình giảm bậc ( ROM

Reduced Order Model (ROM) - mô hình giảm bậc, là các phiên bản đơn giản hóa của một mô hình bảo tồn các hành vi cần thiết và các hiệu ứng chi phối, nhằm mục đích giảm thời gian giải pháp hoặc dung lượng lưu trữ cần thiết. Nó có thể tăng tốc thời gian mô phỏng của bạn mà không làm giảm độ chính xác so với mô phỏng 3D đầy đủ. 

) cho một bản sao số

Các khả năng thiết lập ROM

Reduced Order Model (ROM) - mô hình giảm bậc, là các phiên bản đơn giản hóa của một mô hình bảo tồn các hành vi cần thiết và các hiệu ứng chi phối, nhằm mục đích giảm thời gian giải pháp hoặc dung lượng lưu trữ cần thiết. Nó có thể tăng tốc thời gian mô phỏng của bạn mà không làm giảm độ chính xác so với mô phỏng 3D đầy đủ. 

được tích hợp trong Fluent và có thể được tạo trong Ansys DesignXplorer - một ứng dụng Ansys Workbench tích hợp để khám phá, tìm hiểu và tối ưu hóa thiết kế của bạn. Ozen Engineering thiết lập dải vận tốc gió tối đa và nhiều thành phần hướng gió, sau đó tạo ra một nghiên cứu từ đó để xây dựng ROM

Reduced Order Model (ROM) - mô hình giảm bậc, là các phiên bản đơn giản hóa của một mô hình bảo tồn các hành vi cần thiết và các hiệu ứng chi phối, nhằm mục đích giảm thời gian giải pháp hoặc dung lượng lưu trữ cần thiết. Nó có thể tăng tốc thời gian mô phỏng của bạn mà không làm giảm độ chính xác so với mô phỏng 3D đầy đủ. 

.

Một giả lập chức năng (FMU) đã được tạo cho Twin Builder bằng cách sử dụng nghiên cứu “Thiết kế thử nghiệm” (DOE) dựa trên các vectơ gió. Elghandour nói: “Chúng tôi đã nghiên cứu hướng gió cùng với phạm vi tối thiểu và tối đa của các điều kiện vận tốc điển hình.

Mô hình giảm bậc trong Ansys Twin Builder

5. Triển khai ROM

Reduced Order Model (ROM) - mô hình giảm bậc, là các phiên bản đơn giản hóa của một mô hình bảo tồn các hành vi cần thiết và các hiệu ứng chi phối, nhằm mục đích giảm thời gian giải pháp hoặc dung lượng lưu trữ cần thiết. Nó có thể tăng tốc thời gian mô phỏng của bạn mà không làm giảm độ chính xác so với mô phỏng 3D đầy đủ. 

thông qua Twin Builder

Sau khi mô phỏng hoàn tất, các kỹ sư của Ozen đã trích xuất tệp ROM

Reduced Order Model (ROM) - mô hình giảm bậc, là các phiên bản đơn giản hóa của một mô hình bảo tồn các hành vi cần thiết và các hiệu ứng chi phối, nhằm mục đích giảm thời gian giải pháp hoặc dung lượng lưu trữ cần thiết. Nó có thể tăng tốc thời gian mô phỏng của bạn mà không làm giảm độ chính xác so với mô phỏng 3D đầy đủ. 

để sử dụng trong Twin Builder để dự đoán kết quả khi các đầu vào khác nhau được sử dụng.Ozen Engineering đã tạo một trình kết nối dữ liệu trong Twin Builder sử dụng tập lệnh Python để kết nối qua HTTP với trang web của Cơ quan Quản lý Khí quyển và Đại dương Quốc gia để nhận dữ liệu trực tiếp, cập nhật về tốc độ và hướng gió.

Dữ liệu đó được gắn với dự án Twin Builder để được đánh giá thông qua ROM

Reduced Order Model (ROM) - mô hình giảm bậc, là các phiên bản đơn giản hóa của một mô hình bảo tồn các hành vi cần thiết và các hiệu ứng chi phối, nhằm mục đích giảm thời gian giải pháp hoặc dung lượng lưu trữ cần thiết. Nó có thể tăng tốc thời gian mô phỏng của bạn mà không làm giảm độ chính xác so với mô phỏng 3D đầy đủ. 

.

Liu nói rằng: “Bạn có thể chọn bất kỳ bước thời gian nào trong quá trình mô phỏng và đánh giá các kết quả khác nhau. “Các câu lệnh đọc dữ liệu trong hai giờ vừa qua từ một trang web và tiếp tục ghi lại dữ liệu đó trong hai giờ tiếp theo, hiển thị kết quả”.

Giao diện người dùng đồ họa bản sao số

Elghandour nói: “Vẻ đẹp của bản sao số này là nó thực tế nhưng không quá nhiều chi tiết, vì vậy nó dễ hiểu đối với hầu hết mọi người. Tuy nhiên, đó là một vấn đề CFD

Computational Fluid Dynamics (CFD) - Tính toán động lực học chất lưu (chất lỏng, chất khí), là một nhánh của cơ học chất lưu sử dụng phân tích số và cấu trúc dữ liệu để phân tích và giải quyết các vấn đề liên quan đến dòng chất lưu.

Ansys Fluent và Ansys CFX là hai trong số các phần mềm mô phỏng CFD hàng đầu thế giới của hãng Ansys.

phức tạp.”

Cowan cho biết: “Nhóm nghiên cứu tại Ozen Engineering nhận ra sức mạnh mà mô phỏng thời gian thực mang lại cho việc lập kế hoạch hoạt động và bảo trì dự đoán. Chúng tôi tiếp tục phát triển các bản sao số đa vật lý kết hợp với phần cứng nguyên mẫu vật lý để chứng minh các khả năng linh hoạt.”

Các dự án được thiết kế để mang tính di động, dễ hiểu và dễ xác nhận bằng thiết bị cầm tay. Kho nguyên mẫu của họ bao gồm:

• Ứng dụng động lực học chất lưu trong đường hầm gió dự đoán lực nâng trên cánh máy bay.
• Ứng dụng kết cấu-nhiệt-điện thanh lưỡng kim để dự đoán biến dạng, điện thế và nhiệt độ nung nóng Joule như một hàm của dòng điện.
• Ứng dụng cuộn dây dẫn tĩnh từ tính để dự đoán sự phân bố từ trường.

Ozen Engineering cũng đang xây dựng các mô hình bản sao số tiên tiến để bảo trì dự đoán các bộ phận của máy bay không người lái (UAV) thông qua các khoản tài trợ nghiên cứu do chính phủ Hoa Kỳ tài trợ.

Bài viết liên quan:

• Công nghệ bản sao số (Digital Twins) là gì?

• ANSYS và Iot - Tầm nhìn kép

Nguồn: Ansys Blog