РЕАЛИЗУЕМЫЙ КОМПЬЮТЕРОМ СПОСОБ И УСТРОЙСТВО СОЗДАНИЯ ЦИФРОВОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ КОМПЬЮТЕРНЫЙ ПРОГРАММНЫЙ ПРОДУКТ Российский патент 2023 года по МПК G06F30/23 G06F111/10 

Изобретение относится к реализуемому компьютером способу и устройству создания цифрового представления технического объекта и соответствующему компьютерному программному продукту.

Реализуемые компьютером способы, такие как, например, точное моделирование деталей на основе конечных элементов и другие способы, обобщенные термином системы компьютерного конструирования (CAE: Computer-aided Engineering; computerunterstütztes Entwickeln), сегодня уже в значительной мере используются в современной разработке продуктов. Анализы, основанные на этом, могут дать точное представление о свойствах соответствующей смоделированной детали и, таким образом, ускорить разработку. Недостатком, однако, является то, что соответствующие данные часто не являются общедоступными и понятными и, например, зарезервированы для специалистов по КЭ (КЭ: конечные элементы). Кроме того, сложные системы не могут быть полностью смоделированы и симулированы в разумные сроки на вычислительном оборудовании, которое практически доступно сегодня и в обозримом будущем, поскольку это требует слишком больших вычислительных затрат и сложности.

В соответствии с этим, часто ограничивались раздельным моделированием отдельных компонентов и/или сложных систем или структур, заменяя их радикально упрощенными представлениями, которые могут давать лишь очень приблизительно аппроксимированные рудиментарные формулировки и результаты. Для электродвигателя, например, сложная динамика конструкции корпуса двигателя может быть сведена к двум массам и двум пружинам в качестве упрощенной стартовой модели для динамики ротора, или колебательное поведение ротора может быть грубо аппроксимировано в качестве упрощенной базы для электрического расчета, за счет того, что учитывается только момент инерции массы ротора.

Ни один из предыдущих подходов не дает практически возможным образом при помощи компьютера подробных и надежных утверждений и знаний о сложных структурах или системах, которые состоят из нескольких взаимодействующих или контактирующих компонентов. Однако, именно это будет представлять интерес для дальнейшей улучшенной и цифровой разработки продуктов в будущем.

Задачей настоящего изобретения является предоставление улучшенной возможности цифровой обработки технического объекта. В соответствии с изобретением эта задача решается посредством объектов независимых пунктов формулы изобретения. Преимущественные варианты осуществления и усовершенствования настоящего изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения, в описании и на чертежах.

Способ, согласно изобретению, служит для создания цифрового представления, т.е. цифровой модели или цифрового двойника заданного технического объекта. Техническим объектом в контексте настоящего изобретения может быть, например, устройство, машина, аппарат, система, установка и подобное, в частности, составленное из нескольких компонентов или деталей. Примером такого технического объекта может быть высоковольтный электродвигатель (двигатель высокого напряжения). В конечном счете, однако, способ, согласно изобретению, можно успешно использовать почти для любых цифровых структур, т.е. структур, которые можно представить или смоделировать посредством компьютера.

На этапе способа в соответствии с изобретением предоставляют или регистрируют доменно-ориентированные модели компонентов, основанные на цифровых данных трехмерной геометрии заданных компонентов технического объекта. Данные трехмерной геометрии указывают конструкцию или структуру соответствующего компонента. В частности, для этого могут использоваться декартовы координаты, но также могут использоваться цилиндрические координаты, сферические координаты и т.п. Эти координаты, в которых предоставляются или присутствуют данные трехмерной геометрии или соответственно доменно-ориентированные модели, называются здесь исходными координатами. Другими словами, геометрия соответствующего компонента поэтому может быть описана данными трехмерной геометрии в исходных, в частности декартовых, координатах. Данные трехмерной геометрии могут быть представлены, например, в форме набора данных САПР (CAD: Computer-aided Design), в виде модели КЭ и подобном. В примере электродвигателя, который не ограничивает настоящее изобретение, компонентами могут быть, например, его корпус, ротор, статор, охлаждающее устройство, электрически активная часть и другое.

Доменно-ориентированные модели - это модели, которые описывают или моделируют, по меньшей мере, первично свойства или поведение (режим, характеристики) соответствующего компонента в физическо-техническом домене. Такими доменами могут быть, например, (классическая) механика, электрика или электродинамика, термика или термодинамика и другое, т.е. каждая из них относится к подобласти или специальной области физики или техники или включает их. Соответствующие доменно-ориентированные модели могут иметь значительно меньшую сложность, чем полная модель, которая пытается полностью смоделировать или описать соответствующий компонент во всех доменах или аспектах. Таким образом, доменно-ориентированные модели могут создаваться и использоваться с соответственно меньшими затратами.

Предоставление или регистрация доменно-ориентированных моделей может означать или включать, например, их генерацию при помощи компьютера или полуавтоматически, и/или их загрузку или извлечение из предоставленного хранилища данных или библиотеки соответствующих моделей компонентов.

На следующем этапе способа в соответствии с изобретением выполняется уменьшение порядка модели на основе доменно-ориентированных моделей. Таким образом, порядок или сложность и, следовательно, затраты на вычисления, необходимые для расчета или цифровой обработки моделей, уменьшаются. Для этого доменно-ориентированные модели хотя бы частично конвертируются или трансформируются из их исходных, в частности декартовых, координат в модальные координаты. Здесь упомянутые модальные координаты представляют собой набор минимальных координат, за счет чего можно преимущественно выполнить возможным особенно эффективный и не требующий больших затрат расчет или моделирование.

При помощи этих модальных координат посредством соответствующего модального анализа определяется спектральное поведение компонентов. Другими словами, посредством модального анализа обеспечивается числовая характеристика динамики компонентов, при этом они понимаются как системы, способные к колебаниям, и/или компонентам в качестве основы для модального анализа присваивается время затухания или постоянная времени. Динамика или спектральное поведение компонентов может быть охарактеризована или описана, например, модальными параметрами, определенными в контексте соответствующего модального анализа, собственными частотами, собственными формами колебаний или собственными колебательными модами, модальной массой, при необходимости модальным затуханием и/или подобным.

Затем на основе этого для компонентов генерируются представления пространства состояний (ППС) в виде спектральных моделей компонентов с уменьшенным порядком. Другими словами, компоненты или их поведение или свойства описываются или характеризуются спектральными моделями в соответствующем представлении пространства состояний. Снижение порядка модели по сравнению с первоначальными доменно-ориентированными моделями или соответствующими моделями КЭ отдельных компонентов может быть уже результатом того факта, что для всех трех декартовых пространственных направлений могут быть рассчитаны или смоделированы только моды, т.е. соответствующие колебательные состояния, компонентов в целом, а не отдельные движения или поведение всех части или областей соответствующего компонента. Таким образом, спектральные модели могут описывать динамику или колебательное поведение компонентов более простым и компактным образом, чем доменно-ориентированные модели или полные КЭ-модели компонентов.

На следующем этапе способа, согласно изобретению, спектральные модели компонентов для симуляции (моделирование, имитация) технического объекта в целом связываются или соединяются друг с другом для создания цифрового представления, описывающего поведение технического объекта в разных доменах. Другими словами, цифровое представление технического объекта может быть создано путем соединения спектральных моделей отдельных компонентов, аналогично сборке соответствующего реального технического объекта из отдельных компонентов. Поскольку спектральные модели основаны на доменно-ориентированных моделях, которые могут, в частности, описывать компоненты в различных доменах, результатом является характеристика, описание или моделирование всего технического объекта в соответствующих различных доменах. Компонент может быть описан соответственно спектральной моделью, или свойства или поведение компонента в различных доменах могут быть описаны множеством спектральных моделей для этого компонента.

Путем связывания отдельных спектральных моделей друг с другом могут быть успешно симулированы или смоделированы взаимодействия между компонентами, в частности, в разных доменах, и, соответственно, может быть получено понимание поведения или свойств всего технического объекта из доменно-ориентированной модели или модели конечных элементов, которые до сих пор не могло быть получено из рассматриваемых по отдельности моделей отдельных компонентов или доменно-ориентированной моделей. Вследствие уменьшения порядка модели объем вычислений для такого моделирования и симуляции всего технического объекта предпочтительно остаются практически выполнимыми даже с широко доступными сегодня расчетными средствами. Кроме того, способ, согласно изобретению, предлагает дополнительные возможности для ускорения и уменьшения объема требуемого объема вычислений, который более подробно поясняются далее. При уменьшении требуемого объема вычислений настоящее изобретение, тем не менее, позволяет обеспечить намного более подробные, более точные и более надежные результаты и понимание поведения всего технического объекта, чем ранее можно было получить посредством первоначально описанной очень грубой аппроксимации компонентов с использованием нескольких фундаментальных идеализированных элементов. Таким образом, настоящее изобретение позволяет, например, выявить потенциальные проблемы или слабые места в конструкции технического объекта исключительно в цифровом виде и посредством компьютера, с повышенной точностью и надежностью, как часть процесса разработки или проектирования и лучше адаптировать конструкцию компонентов к реальным возникающим нагрузкам. В конечном итоге это может, например, повысить надежность реальных технических объектов, и при этом, при необходимости, сэкономить материал.

Способ в соответствии с изобретением может осуществляться посредством соответственно выполненного устройства обработки данных, например устройства для обработки данных в соответствии с изобретением, в частности, автоматически или полуавтоматически. Например, в качестве такого устройства обработки данных можно использовать обычный компьютер, обычную рабочую станцию, сервер и подобное. Таким образом, устройство обработки данных может включать в себя, в частности, процессор, микрочип, интегральную схему, аппаратную схему и подобное для выполнения компьютерной программы или программного кода, который кодирует или отражает способ. Кроме того, устройство обработки данных может, в частности, иметь энергозависимую и/или энергонезависимую память данных, подключенную к нему, один или несколько интерфейсов для ввода и вывода данных и/или подобное.

Устройство обработки данных может иметь одно или несколько вспомогательных устройств для выполнения отдельных этапов способа согласно изобретению. Это может быть, например, устройство регистрации или предоставления для получения или предоставления доменно-ориентированных моделей, специфичных для доменной области, устройство уменьшения порядка моделей для снижения порядка моделей и процессов, описанных в связи с этим, и устройство связи для генерирования цифровых данных представления технического объекта путем связывания спектральных моделей друг с другом. Также может быть предусмотрено устройство симуляции для симуляции технического объекта на основе сгенерированного таким образом цифрового представления. Эти частичные устройства могут представлять собой или включать в себя соответствующие аппаратные схемы или аппаратные модули, а также соответствующие программные части или программные модули упомянутой компьютерной программы, т.е., например, операционную программу для устройства обработки данных.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения матрица M масс с модальной развязкой и матрица K жесткости определяются для компонентов в соответствующем модальном анализе. В общем случае здесь также может быть определена соответствующая матрица D затухания. Исходя из уравнения движения для соответствующих компонентов, затем происходит перестановка за счет представления пространства состояний, то есть в формализме представления пространства состояний. Дифференциальное уравнение движения - для краткости называемое уравнением движения - для компонента с одной степенью свободы может быть представлено как

где s - вектор положения, а F - внешняя сила.

Для особого случая модального анализа можно применить или установить F=0. Соответствующее представление пространства состояний может быть представлено как

где t - время, x - вектор положения, u - вектор входа, y - вектор выхода, A - матрица системы, B - матрица входа, C - матрица выхода, а D - матрица прямой связи. Матрицы представления пространства состояний задаются в нормальной форме представления как

, и

Матрица D прямой связи может быть здесь нулевой матрицей, т.е. может быть опущена, если технический объект или соответствующий компонент представляет собой механическую систему, так как механические системы не способны к прыжкам с точки зрения местоположения и скорости. Во многих технических объектах или для многих компонентов технических объектов, например конструктивных элементов электродвигателя, можно предположить пренебрежимо малое затухание, так что матрицу D затухания уравнения движения также можно опустить. Объединение и перестановка переменных приводит к частному случаю незначительного затухания:

и

с вектором q состояния и матрицей ϕ собственной формы. Таким образом, модальный анализ может быть выполнен в этом случае как незатухающий модальный анализ, что предпочтительно приводит к упрощению расчета и, соответственно, меньшим затратам.

В представленном здесь подходе способ согласно изобретению, т.е. цифровизация и моделирование или симуляция технических объектов, может быть реализован особенно эффективно и с практически осуществимыми вычислительными затратами.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения соответствующий модальный анализ выполняется только для определенного низкого частотного диапазона и/или только для определенного количества мод с наибольшей энергией. Например, модальный анализ может быть ограничен диапазоном частот от 0 Гц до 2 кГц, или от 0 Гц до 1 кГц, или от 0 Гц до 500 Гц. Дополнительно или в качестве альтернативы модальный анализ может быть ограничен модами с относительно высокой энергией. Для этого моды можно сортировать, например, по их энергосодержанию или их вкладу в общую энергию колебаний или динамику соответствующего компонента. Из них только n мод с наибольшей энергией затем могут быть рассмотрены или использованы для дальнейших расчетов, где n может быть заданным числом или заданной, например, процентной долей. Аналогичным образом, например, на основе типа, базовой структуры или заданных эталонных или сравнительных значений можно сделать предположение или оценку или указать, в каких частотных диапазонах, вероятно, будут самые высокоэнергетические моды для соответствующего компонента, и ограничить модальный анализ этим. Требуемые вычислительные затраты могут быть дополнительно уменьшены за счет ограничения предложенного здесь модального анализа. Опыт показал, что конкретное ограничение, представленное здесь, все же можно использовать для получения особенно важных утверждений и понимания поведения и свойств компонентов и технического объекта в целом.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения для уменьшения порядка модели преобразование декартовых координат в модальные координаты и/или обратное преобразование модальных координат в декартовы координаты после модального анализа проводят только для заранее определенной выборки дискретных точек наблюдения, в которых при симуляции определяется внешнее воздействие технического объекта в целом. В зависимости от сложности технического объекта можно задать или использовать, например, максимум 1000 или максимум 100 точек наблюдения. В частности, эти точки наблюдения могут быть узлами, точками соединения или подключения компонентов, точками опоры или прилегания и подобное. Было показано, что путем такого ограничения определенными точками наблюдения, которые существенны для поведения технического объекта и его свойств, могут быть получены данные, которые обычно требуются или в настоящее время запрашиваются, например, для проектирования компонентов и/или нагрузки других деталей в окружении или в контакте с техническом объектом. По сравнению с полным моделированием и симуляцией технического объекта, например, на основе конечных элементов, сокращение объема вычислений или объема обрабатываемых данных возможно на несколько порядков. Благодаря предлагаемой здесь структуре способа моделирования в соответствии с изобретением точность результатов для поведения технического объекта в точках наблюдения все еще может находиться в диапазоне точности, который также может быть достигнут при полном анализе КЭ, например лежать до отклонений не более 5% или не более 10%. Таким образом, ограничение заданными точками наблюдения может обеспечить особенно эффективный и действенный вклад в уменьшение порядка модели.

В заданных точках наблюдения в конечном итоге может быть установлено двунаправленное соединение между внутренним, т. е. внутримодельным, модальным описанием и внешним, декартовым описанием компонентов или технического объекта. В данном случае это соединение создается посредством или на основе соответствующих собственных форм. Как и соответствующие собственные частоты, они являются частью модального анализа и, следовательно, доступны в любом случае и не требуют каких-либо дальнейших или дополнительных вычислений. Таким образом, не только объем данных, подлежащих обработке в самом способе по настоящему изобретению, но также, например, данные, полученные из него или полученные с его использованием, которые становятся доступными для других приложений или программ, могут быть соответственно уменьшены. Предлагаемый вариант осуществления настоящего изобретения основан на осознании того, что для многих этапов, например при разработке, изготовлении, монтаже, оценке и испытаниях технических объектов, требуется только ограниченный объем базовой информации, а не полные глобальные знания о детальном поведении соответствующего технического объекта во всех точках или во всех доменах. Например, в случае электродвигателя особое значение может иметь его поведение на стыке с нагрузочной машиной, при подключении к сети и в точках опоры или фундамента. Способ, согласно изобретению, позволяет получать подробную и достоверную информацию о поведении в этих или соответствующих точках наблюдения с повышенной точностью или практически управляемыми затратами по сравнению с предыдущими подходами даже для сложных технических объектов, состоящих из нескольких компонентов, связанных друг с другом.

В предпочтительном усовершенствовании настоящего изобретения точки наблюдения в данных трехмерной геометрии или соответствующей конечно-элементной модели компонентов определяются автоматически в зависимости от категории соответствующего компонента. Категории могут быть заданы, например, в таблице или базе данных или в виде параметров или в метаданных для соответствующих геометрических данных, соответствующих модели КЭ или соответствующим компоненту. Категории могут указывать вид или тип компонентов. Например, компонент может быть классифицирован как корпус, радиатор, подшипник, ось или вал, ротор, активная электрическая часть, основание и/или подобное. Например, для каждой категории можно указать, какая точка или точки должны использоваться в качестве точек наблюдения. Как описано, это могут быть, например, точки опоры или прилегания, узлы, точки соединения или присоединения, а также крайние точки, такие как точка или область минимального диаметра или минимальной толщины материала, самая низкая точка, самая высокая точка или средняя или фокальная точка или тому подобное. Затем эти типы точек наблюдения могут быть автоматически определены для соответствующего компонента в данных геометрии или в модели конечных элементов. Таким образом, может быть достигнута еще более продвинутая автоматизация способа согласно изобретению и, таким образом, затраты, которые должны быть произведены для получения полезных результатов или знаний, могут быть дополнительно сведены к минимуму.

Аналогичным образом, некоторые или все точки наблюдения могут быть заданы вручную, зафиксированы или скорректированы. В любом случае, как только будут определены точки наблюдения - автоматически или вручную - на их основе могут быть автоматизированы дальнейшие меры или этапы. Например, в зависимости от категории соответствующего компонента и/или количества и/или типа указанных точек наблюдения можно автоматически определить или выбрать частоту дискретизации или частоту для модального анализа или симуляции, количество определяемых собственных форм или мод, рассматриваемый или анализируемый частотный диапазон, используемую систему координат, количество и тип учитываемых степеней свободы и/или подобное. Для этого могут быть указаны соответствующие правила и/или таблицы соотнесения.

В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения идеализированные соединительные звенья используются при создании цифрового представления технического объекта для соединения, по меньшей мере, некоторых спектральных моделей компонентов друг с другом и/или с другими заданными элементами. Такими идеализированными соединительные звенья могут быть, например, идеальные пружины, демпферы, массы или маховики и подобное. Каждое из таких идеализированных соединительных звеньев может представлять или моделировать конкретное основное свойство, в частности, математически или механически идеализированным образом или процедурой, т.е. абстрагировано от реальных компонентов. Таким образом, идеализированные соединительные звенья и, соответственно, соединения компонентов или других элементов могут быть смоделированы и рассчитаны особенно простым образом. Однако, поскольку соединенные таким образом компоненты сами моделируются с большей точностью, нагрузки, возникающие на концах или в точках соединения идеализированных соединительных звеньев, могут соответственно точно отражать поведение соответствующего реального технического объекта, так что, несмотря на использование идеализированных соединительных звеньев, в конечном итоге можно обеспечить достаточную точность для практических целей.

Упомянутые дополнительные элементы могут представлять собой, например, жесткость подшипника, эффекты трения, в частности воздушное трение подвижных компонентов и/или тому подобное. Таким образом, дополнительные элементы могут, в частности, представлять эффекты или воздействия, которые трудно смоделировать или представить в виде данных трехмерной геометрии или в виде независимых моделей КЭ. В частности, дополнительные элементы могут присутствовать для моделирования или симуляции нелинейностей, которые могут присутствовать на уровне симуляции соответствующей комплексной системы компонентов и дополнительных элементов. Такие нелинейности могут возникать, например, в подшипнике скольжения, в воздушном зазоре высоковольтного двигателя и/или в других местах. Другие элементы также могут быть соответственно идеализированы, или абстрагированы или определены отдельными моделями, например, на основе причинно-следственного или физического моделирования.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, одна из спектральных моделей компонентов также связана, по меньшей мере, с одним заданным цифровым компонентом окружающей среды, который представляет окружающую среду технического объекта в планируемом реальном использовании. В результате для симуляции создается цифровое представление установки, включающей в себя технический объект. Со своей стороны, компонент окружающей среды может быть или представлять собой, например, технический объект, которая вместе с исходным техническим объектом образует установку или является частью установки. Примерами такого компонента окружающей среды могут быть основание, на котором должен поддерживаться технический объект, силовое соединение или устройство электропитания, через которое технический объект должен снабжаться мощностью или энергией, нагрузочная машина, управляемая или приводимая в действие техническом объектом, опора для технического объекта, машинный зал, в котором должен быть установлен технический объект и/или тому подобное. Таким образом, компонент окружающей среды может представлять или отображать соответствующую реальную среду применения и/или рабочую среду для технического объекта. Это особенно выгодно, поскольку на поведение технического объекта может влиять его окружающая среда, и/или таким образом могут быть получены сведения, в соответствии с которыми можно оптимизировать конструкцию или конфигурацию окружающей среды. Таким образом, учет соответствующей окружающей среды дает возможность индивидуальной настройки или оценки для различных сценариев применения технического объекта. До сих пор это было невозможно, так как, с одной стороны, полный анализ КЭ потребовал бы недостижимых вычислительных затрат, а с другой стороны, сильно упрощенное представление технического объекта, упомянутое выше, не дает или не позволяет получить достаточно точные данные и взаимодействия всего с несколькими идеализированными элементами.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения по меньшей мере один компонент окружающей среды первоначально представлен по меньшей мере одним идеализированным элементом. В итеративном процессе улучшения цифрового представления установки оно затем заменяется моделью конечных элементов (моделью КЭ) или производной от нее спектральной моделью компонента окружающей среды с уменьшенным порядком. Другими словами, цифровое представление установки может быть постепенно адаптировано и улучшено или спроектировано более подробно, например, как только соответствующие подробные модели по меньшей мере для одного компонента окружающей среды станут доступными в соответствующем процессе разработки или проектирования. Особым преимуществом настоящего изобретения является то, что это легко возможно благодаря модульной структуре цифрового представления. Благодаря тому, что компонент окружающей среды изначально представлен идеализированным элементом, первоначальные затраты по расчету могут быть сведены к минимуму, так что первоначальные выводы могут быть получены особенно быстро и на ранней стадии. Таким образом можно повысить эффективность и параллелизм процесса разработки и проектирования технического объекта или установки. Под идеализированным элементом здесь понимается описание, основанное на идеализированных предположениях, пренебрегающее сложными эффектами, происходящими в действительности, как это известно, например, из простейших моделей и теорий классической механики, электродинамики и термодинамики.

Другим аспектом настоящего изобретения является компьютерный программный продукт, который включает в себя инструкции или команды управления, которые при выполнении компьютером, в частности, устройством обработки данных по изобретению или устройством обработки данных, упомянутым в связи со способом по изобретению, побуждают этот компьютер выполнять, по меньшей мере, один вариант способа согласно изобретению, в частности, автоматически или полуавтоматически. Компьютерный программный продукт, согласно изобретению, может быть компьютерной программой. Соответственно, способ, согласно изобретению, может быть полностью или частично реализован на компьютере или пригоден для реализации на компьютере, т.е. закодирован или представлен такой компьютерной программой или соответствующим программным кодом. Точно так же компьютерный программный продукт, согласно изобретению, может быть машиночитаемым носителем данных, на котором хранится соответствующая компьютерная программа.

Еще одним аспектом настоящего изобретения является уже упомянутое устройство для обработки данных. Это устройство имеет средства для осуществления по меньшей мере одного варианта способа согласно изобретению, в частности, автоматически или полуавтоматически. Этими средствами могут быть, в частности, средства, описанные в связи с упомянутым устройством обработки данных. Таким образом, для выполнения способа или соответствующей компьютерной программы или программного кода устройство, согласно изобретению, может, в частности, иметь соответствующий процессор, память данных и по меньшей мере один интерфейс ввода и/или вывода. В частности, устройство, согласно изобретению, может включать в себя компьютерный программный продукт согласно изобретению. Поскольку устройство в соответствии с изобретением может быть адаптировано, в частности, для осуществления способа в соответствии с изобретением, и, следовательно, способ в соответствии с изобретением может быть осуществлен с использованием устройства в соответствии с изобретением, устройство в соответствии с изобретением может соответственно обладают некоторыми или всеми свойствами и/или признаками, описанными в связи со способом по изобретению.

К настоящему изобретению также относятся усовершенствования различных аспектов изобретения, т.е. способа согласно изобретению, компьютерного программного продукта согласно изобретению и устройства согласно изобретению, которые имеют признаки, описанные только в связи с одним или несколькими из этих аспектов изобретения. Чтобы избежать ненужной избыточности, соответствующие усовершенствования настоящего изобретения или его отдельных аспектов не описываются здесь снова отдельно для всех этих аспектов.

Изобретение также включает в себя комбинации признаков описанных вариантов осуществления.

Примерные варианты осуществления изобретения описаны далее. Для этого показано:

Фиг.1 схематическое изображение устройства для выполнения способа создания цифрового представления технического объекта, при этом способ представлен примерной блок-схемой;

Фиг.2 схематическое изображение для иллюстрации первого описания компонента;

фиг.3 схематическое изображение для иллюстрации второго описания компонента; и

фиг.4 схематическое изображение для иллюстрации цифрового представления.

Примерные варианты осуществления, описанные далее, являются предпочтительными вариантами осуществления изобретения. В случае примерных вариантов осуществления каждый из описанных компонентов вариантов осуществления представляет собой отдельные признаки изобретения, которые следует рассматривать независимо друг от друга и которые также дополнительно развивают изобретение независимо друг от друга. Следовательно, раскрытие также предназначено для охвата комбинаций признаков вариантов осуществления, отличных от проиллюстрированных. Кроме того, описанные варианты осуществления также могут быть дополнены дополнительными признаками изобретения, которые уже были описаны.

По разным причинам желательно и предпочтительно иметь цифровое отображение или цифровое представление технического объекта, например, для поддержки разработки и тестирования продукта. Далее, исключительно в качестве примера, предполагается электрический высоковольтный двигатель (двигатель высокого напряжения), который состоит из нескольких компонентов и деталей и, таким образом, представляет собой сложный технический объект. Для проектирования со стороны исследований и разработок есть только две альтернативы цифровому, т.е. автоматизированному просмотру такого сложного технического объекта, в котором несколько компонентов, каждый из которых в первую очередь действует в разных физическо-технических доменах, связаны друг с другом. Это, во-первых, сложная мультифизическая симуляция и, во-вторых, опускание комплексного рассмотрения всего технического объекта. Первое в настоящее время практически неосуществимо из-за необходимых для этого ресурсов, так что на практике корректная симуляция всей системы обычно не проводится. То же самое относится к профилактическому анализу, например, полной приводной системы.

Следует также учитывать, что сложные технические объекты, как правило, могут быть представлены в различных конфигурациях в зависимости от предъявляемых требований или пожеланий заказчика. Это означает, что даже если анализ или симуляция выполняется для экстремальных значений, например, для самой тяжелой, самой легкой, самой длинной, самой короткой и т.д. конфигурации или варианта, это часто не приводит к надежным утверждениям или оптимизированной конструкции для конкретных вариантов или конфигураций заказчика, которые находятся в середине соответствующего поля параметров и могут иметь неблагоприятные комбинации или взаимодействия между отдельными компонентами, которые не были распознаны.

Вместо полного, т.е. физически, по меньшей мере по существу, корректного рассмотрения системы в целом, т.е. всего технического объекта, симуляция и соответствующее проектирование отдельных компонентов соответствующего технического объекта в настоящее время могут выполняться отдельно и для доменно-ориентированной области. Это означает, что симуляция или компьютерное исследование или анализ проводятся, ограничиваясь отдельными компонентами и отдельными доменами, а отдельные компоненты и, следовательно, технический объект в целом проектируются только в отдельных доменах без общего системного представления. Кроме того, при сегодняшних установленных процессах даже соответствующие данные симуляции для отдельных компонентов часто доступны только специалистам, например, в рамках специализированной программы для моделирования способом конечных элементов (моделирование КЭ) и, следовательно, недоступны другим отделам (например, проектированию или продажам) или соответствующим заказчикам, пользователям или конечным потребителям. Однако, как видно из запросов существует соответствующая потребность на цифровое отображение для симуляции переходных процессов полных технических объектов.

Вместо того, чтобы предоставлять соответственно точные данные симуляции или модели, они до настоящего времени обычно сводились к очень грубым утверждениям. Например, сложная структурная динамика корпуса двигателя была сокращена до двух масс и двух пружин, чтобы обеспечить возможность комбинации, например, с динамикой ротора. Например, для электрических расчетов вибрационное поведение ротора было очень грубо аппроксимировано с учетом только момента инерции массы ротора. Кроме того, отдельные компоненты не симулируются полностью, а представляются, например, в виде эквивалентных принципиальных схем или простых геометрических основных форм или абстрактных точек массы.

Чтобы решить эти трудности, проблемы и недостатки, в данном случае должен быть представлен способ моделирования, посредством которого основные утверждения могут быть извлечены из подробного анализа отдельных доменов и объединены друг с другом в разных доменах, чтобы обеспечить совместное общесистемное рассмотрение с повышенной точностью. За счет этого выгодным образом предоставляется возможность моделирования конкретного варианта или конфигурации соответствующего технического объекта в разных доменах. При этом соответствующий конкретный вариант или конфигурация собираются в цифровом виде из отдельных доменно-ориентированных моделей компонентов или основных компонентов соответствующего технического объекта.

Преимущественно также может быть принято во внимание знание окружающей среды соответствующего технического объекта, чтобы в конечном итоге симулировать поведение соответствующей конкретной конфигурации технического объекта в специально предназначенной среде применения или рабочей среде.

Отдельные компоненты моделируются с учетом доменно-ориентированной области, в частности, на основе соответствующих предоставленных цифровых данных трехмерной геометрии. При необходимости при этом для одного компонента могут быть созданы или предоставлены несколько доменно-ориентированных моделей для разных доменов, каждая из которых может быть основана на одной и той же трехмерной геометрии компонента. В этом случае для геометрии или соответствующих данных трехмерной геометрии можно использовать размеры, основанные на проекте или спецификации, так что компоненты здесь не упрощаются и не абстрагируются с точки зрения их геометрии или их конструкции, что в конечном итоге означает, что может быть достигнута улучшенная точность полученных результатов. Компоненты окружающей среды или элементы окружающей среды, т.е. элементы или части среды или те, которые представляют среду, могут быть сформированы или представлены таким же образом или, при необходимости, упрощенными или идеализированными элементами.

Посредством представленной здесь технологии можно извлечь соответствующее спектральное поведение соответствующего технического объекта из отдельных доменов, так что ранее практически невыполнимые расчетные модели для полного симуляции, которые может включать, например, 10 миллионов уравнений только для структурной динамики корпуса двигателя можно эффективно сократить до сравнительно небольшого числа уравнений, например, от 10 до 100 или до 1000 уравнений. Тип извлечения и обработки может преимущественно даже обеспечивать передачу соответствующих данных или моделей третьим сторонам, например внешним компаниям или клиентам, без раскрытия информации, относящейся к разработке или производству, т.е. с соблюдением требований конфиденциальности. Таким образом, третьи стороны могут получить цифровое отображение соответствующего технического объекта в специально запрошенной конфигурации для временных расчетов соответствующих параметров, из которых, однако, нельзя вывести явную подробную информацию о внутренней работе или внутренней конструкции технического объекта.

На фиг.1 показано схематическое изображение устройства C1 обработки данных, например компьютера, для выполнения способа создания цифрового представления технического объекта. Устройство С1 обработки данных имеет память С2 данных, соединенный с ней процессор С3 и соединенный с ним интерфейс С4 для ввода и вывода данных. Компьютерная программа, реализующая способ, хранится в данном случае в памяти C2 данных. Соответствующие программные модули или последовательности этапов способа представлены здесь блок-схемой 1 с этапами S1-S10 способа. Способ более подробно поясняется далее с использованием блок-схемы 1 со ссылкой на другие фигуры.

Способ в первую очередь служит для генерации числового двойника соответствующего технического объекта, в данном случае высоковольтного двигателя, и обеспечивает соответствующий рабочий процесс. На этапе S1 способа цифровые данные трехмерной геометрии для отдельных компонентов высоковольтного двигателя сначала экспортируются из среды разработки, в данном случае из системы PLM (PLM: управление жизненным циклом продукта). При этом используется нейтральный, т.е. независимый от производителя, стандартизированный формат файла, не привязанный к конкретному приложению, такой как STEP (Standard for the Exchange of Product Model Data). STEP позволяет выгодно работать с особенно небольшими объемами данных и, как показывает опыт, может давать особенно хорошие результаты преобразования.

На этапе S2 способа экспортированные таким образом геометрические данные, то есть соответствующий набор данных, например данные 3D-CAD, импортируются в программу для моделирования КЭ или симуляции КЭ, например, «Ansys Mechanical». В ней набор данных подготавливается способом, подходящим для компьютерного конструирования (CAE: Computer-aided Engineering). С этой целью, например, элементы, которые не являются частью базовой структуры соответствующего компонента и, следовательно, нерелевантны или менее релевантны для поведения соответствующего компонента, могут быть удалены, чтобы уменьшить объем данных. Это могут быть, например, элементы самого компонента, такие как отверстия для крепления дополнительных элементов, смазочные каналы, держатели кабеля и т.д., или дополнительные элементы, содержащиеся в импортируемом наборе данных, которые присоединяются к фактическому компоненту. Эту обработку, совместимую с CAE, уже можно рассматривать как первую часть уменьшения порядка модели, благодаря которой количество обрабатываемых данных и соответствующие вычислительные затраты или затраты на симуляцию сокращаются или ограничиваются до такой степени, что описанный здесь способ может быть выполнен с использованием традиционно доступного вычислительного оборудования, например обычных вычислителей на рабочем месте или рабочих станций, и нет необходимости использовать мейнфреймы или суперкомпьютеры.

Геометрия компонентов описывается в исходных координатах в программе КЭ. Как правило, это могут быть декартовы координаты, так что присутствует три набора систем уравнений для высоты, глубины и ширины соответствующего компонента.

На этапе S3 способа соответственно полученная основа анализа, в конечном счете, геометрия или набор данных КЭ или модель КЭ, преобразуется из исходных, в частности декартовых, координат в минимальные модальные координаты. Предпочтительно это можно сделать только для заданного дискретного количество точек, которое составляет относительно небольшую часть всех точек модели КЭ. Это представляет собой еще одну часть уменьшения порядка модели, которая упрощает последующие расчеты или симуляцию.

На этапе S4 способа выполняется соответствующий модальный анализ для отдельных компонентов, т.е. с использованием доменно-ориентированных моделей, для определения соответствующего спектрального поведения компонентов. Модальный анализ ограничен заданным количеством точек, то есть заданными точками 27 наблюдения (см. фиг. 4), в которых поведение соответствующего компонента особенно важно на практике. Этими точками наблюдения могут быть, например, узловые точки, точки соединения или точки подключения с окружающей средой или с другими компонентами, опорные точки, крайние точки компонентов, средние точки или точки, отмеченные каким-либо другим образом. Кроме того, предпочтительно могут учитываться только относительно низкочастотные, но относительно высокоэнергетические моды, например, до частоты 500 Гц. Эти ограничения на основные данные в основных точках могут позволить сократить количество обрабатываемых данных, например, примерно на пять порядков, т.е. примерно на 99,999%. Однако результаты, в конечном итоге полученные в выбранных точках 27 наблюдения, могут быть примерно такими же точными, как и полный анализ КЭ. Описанное ограничение модального анализа представляет собой значительную часть снижения порядка модели.

В данном случае выполняется незатухающий модальный анализ, в котором соответствующее дифференциальное уравнение движения для компонентов содержится или используется в базовой форме. В модальном анализе для компонентов вычисляются соответствующие модально разделенные матрица M масс и матрица K жесткости. Они преобразуются в представление пространства состояний (ППС) и перестраиваются на этапе S5 способа. Упрощенно для одной степени свободы это можно представить как:

→ и при

, и

с вектором x положения, внешней силой F, переменной t времени, вектором q состояний, системной матрицей A, матрицей B входа, матрицей C выхода, вектором y входа, диагональной матрицей= diag(ω²) собственных частот ω и матрицей φ собственных форм.

Матрица прямой связи, которая иногда используется в представлениях пространства состояний, может быть здесь нулевой матрицей и, следовательно, может быть опущена, поскольку механические системы не способны к прыжкам с точки зрения местоположения и скорости, и рассматриваемый здесь технический объект всегда может быть также механической системой. Аналогичным образом, в качестве примера предполагается пренебрежимо малое затухание, так что в противном случае присутствующая матрица затухания в этом случае также равна 0.

На Фиг. 2 показано схематическое представление для иллюстрации первого описания компонента 2, соответствующего дифференциальному уравнению движения. При этом компонент 2 схематично представлен массой 3 и опорой 4 и их связью посредством пружины 5 и демпфера. Поведение компонента 2 характеризуется вектором 7 положения, также представленным здесь схематически, соответствующей переменной x. В данном случае матрица затухания может быть опущена в дифференциальном уравнении движения для компонента 2, поскольку, например, конструктивные элементы высоковольтного двигателя и так слабо демпфируются. Таким образом, также можно обойти ограничения решателя КЭ, из-за которых в настоящее время невозможен анализ затухающих мод.

Фиг.3 показывает схематическое представление для иллюстрации второго описания компонента 2, соответствующего нормальной форме представления упомянутого представления пространства состояний. При этом зависящий от времени вектор 8 входа, соответствующий размеру u, объединяется с матрицей 9 входа, соответствующей размеру B. Полученный результат добавляется в первый комбинированный элемент 10 с матрицей 11 системы, соответствующей размеру А. Полученный результат связан с элементом 12 затухания, который вводит постоянную времени или пропорциональную единицу в секунду, т.е. частоту. Полученный результат объединяется с матрицей 13 выхода, соответствующей размеру C. Соответствующий результат дополнительно комбинируется во втором комбинационном элементе 14 с матрицей 15 прямой связи, соответствующей размеру D, при условии, что она не опущена. В конечном итоге результатом является зависящий от времени вектор 16 выхода, соответствующий переменной y.

Путем объединения дифференциального уравнения движения и ППС, соответствующих комбинации описаний согласно фиг. 2 и фиг. 3, а также перестановки переменных при пренебрежимом затухании, получается:

и .

Это можно понимать как математическую основу описанного здесь подхода.

Модальный анализ и уменьшение порядка модели выполняются для всех компонентов соответствующего технического объекта, в данном случае для всех компонентов высоковольтного двигателя. Для двунаправленного соединения внутреннего модального описания и внешнего декартового описания используются соответствующие собственные формы. Как и соответствующие собственные частоты, они являются неотъемлемой частью модального анализа и, следовательно, не требуют дополнительных вычислений. Преобразование декартовых и модальных координат (мод) происходит только в точках наблюдения, так что в конечном счете внешнее воздействие соответствующего компонента или соответствующего технического объекта или системы рассчитывается только там. Расчет проводится с использованием матрицы φ собственных форм. Моды отображают k состояний соответствующей системы, которые суммируются в векторе q(t) состояний. Если они присутствуют, это могут быть моды жесткого тела, моды изгиба, моды кручения и/или подобное.

Возбуждение системы, соответствующее вектору u(t) входа, разбивается на возбуждения k состояний q(t) в виде , где индекс i для соответствующего возбуждения (вход, положение и степень свободы) и задает связанный элемент матрицы ϕ собственных форм в качестве весового элемента соответствующего состояния. Ответ y_j(t) каждого определенного выхода j - объединено для всех выходов j в векторе y выхода - состоит из состояний q(t) и весовых коэффициентов собственной формы, в виде:

.

Таким образом, выход y_j(t) может быть рассчитан для каждой определенной точки 27 наблюдения и степени свободы. Представление пространства состояний полностью описывается посредством матриц A, B и C. Таким образом, в целом можно создать модель с уменьшенным порядком.

Описанный здесь подход, включающий переход от декартовых координат к модальным координатам и ограничение заданными точками 27 наблюдения позволяет значительно уменьшить порядок модели и, таким образом, открывает огромный потенциал для ускорения расчетов и моделирования.

Результаты этапа S5 способа, т.е. соответствующие матрицы пространства состояний (англ.: state space matrices) импортируются на этапе S6 способа, предпочтительно в нейтральном формате, в систему симуляции, т.е. соответствующее программное обеспечение или соответствующую программу, например, «Ansys Twin Builder». Там модели с уменьшенным порядком отдельных компонентов, т. е. так называемые двойники компонентов, собираются для создания цифрового представления всего технического объекта. Таким образом, двойники компонентов соединяются друг с другом, и в этом случае при необходимости могут быть добавлены дополнительные элементы, а комбинация компонентов может использоваться в запланированном целевом приложении, т. е. в соответствующей среде применения или рабочей среде. Для этого можно определить и смоделировать условия окружающей среды, граничные и начальные условия. Другие элементы, которые могут быть добавлены при необходимости, могут представлять собой, например, жесткость подшипника, воздушное трение и/или тому подобное. В конечном счете, можно вставлять практически любые дополнительные элементы, пока их можно описать математически. Это может относиться, в частности, к нагрузкам с различными характеристиками или соединениям и подобному. Этот подход также можно использовать для добавления других физических эффектов или доменов. В конечном итоге результатом является цифровое представление, т.е. общая модель или спектральное собственное изображение или отображение всего технического объекта, возможно, включая его окружение, которое также именуется здесь числовым двойником.

На фиг.4 показано схематическое изображение для иллюстрации такого цифрового представления в виде цифрового двойника 17 высоковольтного двигателя, включающего в себя некоторые окружающие компоненты, то есть числового двойника соответствующей общей установки. Основными компонентами высоковольтного двигателя здесь являются корпус 18, соединенный с ним охлаждающий элемент 19, статор 20, ротор 21 и активная электрическая часть 22. Статор 20 и ротор 21 установлены, например, в корпуса 18 и, следовательно, механически связаны с ним, по меньшей мере, косвенно. Другие компоненты, подсоединенные к высоковольтному двигателю, могут включать в себя регулятор мощности, представленный здесь сетью электропитания или соответствующим сетевым соединением 23, основание 24, на которое должен опираться и монтироваться корпус 18, муфту, не показанную здесь подробно, и нагрузку 25, которая здесь схематически соединена нагрузочной машиной 26 с высоковольтным двигателем.

Показанные при этом связи между этими компонентами представляют собой взаимосвязи или взаимодействия или связи между компонентами. Эти соединения могут быть представлены или смоделированы, например, с использованием мощностей, нагрузок или эффектов, возникающих на компоненте, в качестве входных переменных для моделирования или симуляции другого компонента, связанного с ним. Соединения также могут быть представлены отдельными дополнительными элементами. Для этого, например, в цифровой двойник 17 могут быть встроены идеальные передаточные элементы, пружины, демпферы и/или подобное. В конечном счете, это позволяет симулировать высоковольтный двигатель во всех смоделированных доменах в его запланированной среде последующего применения, в частности, особенно быстро и с повышенной точностью по сравнению с способами, которые фактически используются традиционно. Здесь это достигается за счет сочетания различных мер и способов, доказавших свою особую эффективность. В частности, моделирование окружающей среды, представленное здесь, например, подключением к сети 23, фундаментом 24 и нагрузочной машиной 26, является новым свойством, которое представляет особое преимущество предложенного в данном случае цифрового двойника 17 или представленного способа по сравнению с обычными способами. Это дает возможность моделировать окружающую среду и любые другие компоненты и соответствующие связи с их соответствующим спектральным поведением. Это позволяет рассчитать или симулировать поведение высоковольтного двигателя при его взаимодействии с окружающей средой, т.е. общее поведение цифрового двойника 17.

Здесь в качестве примеров отмечены несколько точек 27 наблюдения, в которых фактически симулируется поведение или внешний эффект цифрового двойника 17 на этапе S8 способа. Поведение цифрового двойника 17 здесь рассчитывается не, например, в каждой выбраненной точке корпуса 18, а, например, только в точках его крепления или соединения с другими компонентами цифрового двойника 17 и соответственно с другими компонентами. Эксплуатант или пользователь цифрового двойника 17 обычно в основном интересуется некоторой базовой информацией, относящейся к соответствующему пользовательскому приложению. Эта базовая информация включает в себя определенные интерфейсы и результаты в определенных местах, например, в точках 27 наблюдения. Нагрузочная машина 26 представляет собой особенно важный соответствующий интерфейс этого типа. Здесь, например, значения скорости и крутящего момента могут быть предоставлены в соответствии с реальными требования или измерениями и рассчитываются или симулируются с использованием цифрового двойника 17. Другим особенно важным интерфейсом является подключение к сети, здесь, например, подключение к сети 23 или электрическая активная часть 22. В случае высоковольтного двигателя, например, трехфазный переменный ток от сети с определенным напряжением и частотой (DOL, Direct Online) или от источника питания преобразователя с регулируемым напряжением и частотой для любого числа оборотов (VSD, Variable Speed Drive) может быть предоставлено или симулировано. Другим интерфейсом, т.е. еще одной точкой 27 наблюдения, которая может иметь особое значение для конструкции в контексте разработки продукта, является основание 24 или его соединение с корпусом 18. Во взаимодействии с конструктивными элементами высоковольтного двигателя это определяет, например, диапазон настройки скорости.

Эти и, возможно, другие интерфейсы определены в цифровом двойнике 17 в виде точек 27 наблюдения. Остальные можно смоделировать позднее, при необходимости. Таким же образом контрольные точки могут быть или будут определены в дополнение к точкам 27 наблюдения или как их часть. Такие контрольные точки могут быть установлены в любой точке цифрового двойника 17, чтобы получать оттуда данные или информацию, т.е. отслеживать поведение цифрового двойника 17 в рамках симуляции. В частности, это возможно и в местах, труднодоступных на реальном аналоге. Эту технологию также можно назвать виртуальным датчиком или программным датчиком, потому что в данном случае речь идет о виртуальном цифровом наблюдении или анализе. В целом, этот подход особенно выгоден и предлагает особенно большой потенциал для улучшения предыдущих процессов, потому что, например, положение вращающихся и неподвижных частей по отношению друг к другу можно отслеживать без сложных физических процессов измерения.

Для итеративного улучшения симуляции цифрового двойника 17 на этапе S9 способа - если или как только они будут доступны - можно использовать более подробные модели, например, модели конечных элементов, дополнительных компонентов, например, для окружающей среды высоковольтного двигателя или для соединений между компонентами высоковольтного двигателя и/или они могут быть интегрированы в цифровой двойник 17 для дополнительных физических эффектов. При необходимости можно заменить ранее использовавшиеся менее детализированные модели. Соответственно, некоторые или все этапы способа с S6 по S10 могут многократно выполняться итеративно, в результате чего могут быть преимущественно достигнуты повышенная эффективность, действенность и параллельность в процессе разработки.

На необязательном этапе способа S10, например, результат симуляции можно сравнить с реальным построенным аналогом цифрового двойника 17, чтобы обеспечить возможность оценки цифрового двойника 17 или описанного здесь способа и/или определить, например, работает ли реальный аналог, т.е. соответствующая реальная установка, в заданных спецификациях. Знания, полученные таким образом, затем могут быть использованы для улучшения способа или двойников компонентов, для улучшения производства, для улучшения операционной стратегии и/или подобного.

В итоге предложенный способ позволяет в дополнение к обычным результатам, таким как кривые скорость вращения - момент вращения, обеспечить согласованное моделирование физики, то есть более полное поведение цифрового двойника 17, включая связи между компонентами, что обеспечивает возможность, например, определения позиционных вибраций вследствие дисбаланса или нагрузок от фундаментных болтов и/или подобного, что было невозможно с предыдущими, компонентно-ориентированными отдельными рассмотрениями или отдельными моделями. Например, такие детали, как фундаментные болты, могут быть спроектированы более адаптированными к фактическим нагрузкам и получена ценная информация, такая как приложение силы к различным компонентам, общая сила, например, на фундамент 24, возбуждение вибрации высоковольтным двигателем, для дальнейшего инженерно-строительного анализа зданий и подобного.

В используемом здесь подходе может использоваться комбинация двух разных типов моделирования, а именно причинно-следственного моделирования и физического моделирования (консервативного моделирования). В причинно-следственном моделировании существует определенное поведение ввода-вывода. Например, физическое моделирование может использовать метод узловых потенциалов (правила Кирхгофа) для создания двунаправленного соединения между двумя узлами и, следовательно, между двумя компонентами. В этом смысле узел или узловая точка могут быть соединением модели с уменьшенным порядком компонента с окружающей средой или с другим компонентом или его моделью с уменьшенным порядком. В частности, упрощенные или идеализированные дополнительные элементы, такие как пружины, массы или демпфирующие элементы, также могут быть интегрированы посредством физического моделирования. Таким образом, интуитивная применимость описанного здесь способа может быть выгодна для широкого круга специалистов, например, для инженеров различных специальностей.

Центральный процесс представленного здесь способа можно разделить на две части. С одной стороны, это генерация двойников компонентов как часть анализа КЭ или моделирования КЭ, а с другой стороны, симуляционное использование общего двойника, т.е. полного цифрового двойника 17, в симуляции системы. Для практического применения в настоящее время могут быть использованы программы "Ansys Mechanical” или “Ansys Twin Builder”. Это означает, что процесс или способ можно автоматизировать, по меньшей мере, в значительной степени, например, путем управления через ACT (Application Compatibility Toolkit) или через IronPython (реализация языка программирования Python), т.е. с использованием потенциала современного программирования.

Кроме того, в рамках автоматизации процесса, точки 27 наблюдения могут дополнительно устанавливаться или генерироваться автоматически, например, в зависимости от соответствующих заранее заданных категорий компонентов. Это может быть предпочтительно выполнено с использованием данных геометрии, например, в программе КЭ. При этом предпочтительно автоматически могут определяться или устанавливаться соответствующие системы координат, степени свободы, подлежащие симуляции, граничные условия и условия ограничения, адаптированные настройки для решателя КЭ и/или подобное, и моделирование или симуляция могут запускаться автоматически.

В соответствии с заранее заданной спецификацией соответствующего технического объекта соответствующие двойники компонентов могут быть дополнительно извлечены из соответствующей предоставленной библиотеки моделей, например, на основе соответствующих машиночитаемых обозначений продуктов (MLFB). Соответствующий MLFB может задавать или указать соответствующий вариант, конфигурацию или конструкцию компонента или технического объекта в целом. Например, высота оси или номер длины активной части 22 и т.п. могут быть указаны для высоковольтного двигателя через MLFB. Все необходимые компоненты или сформированные их модели могут быть затем автоматически или полуавтоматически импортированы в соответствующую среду моделирования и соединены с соседними компонентами и/или с дополнительными промежуточными элементами, такими как пружины, демпферы, передающие звенья и подобное. Например, электромеханическое преобразование энергии высоковольтного двигателя также может быть встроено как соответствующий двойник компонента, и автоматически или частично автоматически снабжено корректными коэффициентами соответствующей Т-эквивалентной схемы, основанной на MLFB.

Посредством ранее доступных программных средств, например, можно соответственно индивидуально рассчитать динамику ротора высоковольтного двигателя, определить допустимый диапазон установки скорости вращения или можно определить посредством структурной динамики реакцию системы корпуса 18 на возбуждение соседнего дизеля или землетрясение. Отдельная электрическая симуляция с использованием предыдущих способов может определять поведение высоковольтного двигателя, но в качестве механической основы используется значительно упрощенная модель ротора в виде идеализированного двухмассового колебательного контура вместо фактических данных трехмерной геометрии ротора 21, соответствующих спецификациям.

Однако, эти традиционные программные инструменты не работают, если, например, структурная динамика влияет на динамические эффекты ротора, поскольку соответствующий полный анализ потребует вычислительного времени и ресурсов, которые практически невозможно реализовать. По этой причине взаимодействия между компонентами не учитывались или, по меньшей мере, не учитывались реалистичным образом. Однако, такие взаимодействия, вероятно, станут более важными в будущем, т. е. будут иметь большее значение, поскольку, например, одновременные требования к экономии материалов, повышению производительности, повышению эффективности и использования для сложных систем приведут к большему включению эффектов связи среди компонентов.

Посредством предложенного здесь способа общая физика даже сложного технического объекта может быть смоделирована согласованно с точностью КЭ смоделирована в разных доменах, по меньшей мере, для в конечном счете релевантных точек 27 наблюдения, с ограниченными вычислительными затратами вследствие мер по уменьшению порядка модели, что обеспечивает полную симуляцию цифрового двойника 17 с временным горизонтом, например, в несколько минут, вместо нескольких дней или недель. Несмотря на снижение порядка модели, можно при этом получить новые сведения по сравнению с предыдущими способами, поскольку не только отдельные компоненты и домены рассматриваются по отдельности изолированно, но, например, комбинированные собственные формы нескольких компонентов и/или из нескольких доменов могут быть рассмотрены, то есть симулированы, в комбинации или во взаимодействии. Поскольку домены моделируются согласованно, результаты могут быть получены из взаимодействий через соответствующие границы областей.

В целом, описанные примеры показывают, как цифровая обработка сложного технического объекта может быть улучшена за счет адаптированного создания числового двойника технического объекта. Таким образом, изобретение относится к реализуемому компьютером способу 1 и устройству С1 для создания цифрового представления 17 технического объекта, в частности, электродвигателя, и соответствующему компьютерному программному продукту 1, С2. В способе 1 предоставляются доменно-ориентированные модели, основанные на цифровых данных геометрии компонентов 2, 18, 19, 20, 21, 22. Исходя из этого, осуществляется уменьшение порядка модели, при этом доменно-ориентированные модели переводятся в модальные координаты и тем самым определяется спектральное поведение компонентов 2, 18, 19, 20, 21, 22 посредством соответствующего модального анализа. На основе этого соответствующие представления пространства состояний генерируются как спектральные модели с уменьшенным порядком. Для симуляции технического объекта в целом спектральные модели соединяются друг с другом для симуляции, чтобы сформировать цифровое представление 17, которое описывает поведение технического объекта в разных доменах.

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в повышении точности и надежности конструирования электродвигателя. Согласно заявленному решению осуществляют симуляцию электродвигателя на основании цифровой модели для адаптации конструкции компонентов к реальным возникающим нагрузкам и для изготовления электродвигателя с компонентами, адаптированными к реальным возникающим нагрузкам. При моделировании поведения соответствующего компонента в физическо-техническом домене используют доменно-ориентированные модели, которые преобразуют в модальные координаты. Посредством модальных координат определяют спектральное поведение компонентов. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Реализуемый компьютером способ (1) разработки заданного электродвигателя для улучшения его изготовления, причем для симулирования электродвигателя генерируют цифровую модель (17) электродвигателя, причем

- предоставляют доменно-ориентированные модели компонентов (2, 18, 19, 20, 21, 22), основанные на цифровых данных трехмерной геометрии заданных компонентов (2, 18, 19, 20, 21, 22) электродвигателя, причем

данные трехмерной геометрии указывают конструкцию или структуру соответствующего компонента в предопределенной системе координат, причем

доменно-ориентированные модели описывают или моделируют поведение соответствующего компонента в физическо-техническом домене,

- исходя из доменно-ориентированных моделей осуществляют понижение порядка модели, причем

- доменно-ориентированные модели, присутствующие в предопределенной системе координат, преобразуют в модальные координаты, причем посредством модальных координат определяют спектральное поведение компонентов (2, 18, 19, 20, 21, 22) с помощью соответствующего модального анализа, и

- на основе этого для компонентов (2, 18, 19, 20, 21, 22) генерируют представления пространства состояний как спектральные модели с пониженным порядком, и

- для симуляции электродвигателя спектральные модели компонентов (2, 18, 19, 20, 21, 22) совместно объединяют друг с другом в цифровую модель (17), которая описывает поведение электродвигателя в разных доменах, причем

- осуществляют симуляцию электродвигателя на основании цифровой модели (17) в рамках процесса разработки, для адаптации конструкции компонентов к реальным возникающим нагрузкам и для изготовления электродвигателя с компонентами, адаптированными к реальным возникающим нагрузкам.

2. Способ (1) по п. 1, отличающийся тем, что компоненты (2, 18, 19, 20, 21, 22) являются корпусом, ротором, статором, охлаждающим устройством и/или активной электрической частью электродвигателя.

3. Способ (1) по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что доменно-ориентированные модели соответственно моделируют или описывают свойства или поведение соответствующего компонента в соответствующем физическо-техническом домене.

4. Способ (1) по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что доменно-ориентированные модели относятся к механике, электрике, электродинамике, термике и/или термодинамике, при этом доменно-ориентированные модели имеют значительно меньшую сложность, чем полная модель, вследствие чего доменно-ориентированные модели могут создаваться и обрабатываться с соответственно меньшими затратами.

5. Способ (1) по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что в соответствующем модальном анализе для компонентов (2, 18, 19, 20, 21, 22) соответственно определяют матрицу M масс с модальной развязкой и матрицу K жесткости, которые, исходя из уравнения движения для соответствующих компонентов (2, 18, 19, 20, 21, 22), упорядочиваются через представление пространства состояний таким образом, что для одной степени свободы получается следующая форма:

с зависящим от времени вектором состояния с зависящим от времени вектором положения s, диагональной матрицей собственных значений, единичной матрицей I, матрицей D затухания, матрицей ф собственной формы, зависящим от времени вектором u входа и зависящим от времени вектором y выхода.

6. Способ (1) по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что соответствующий модальный анализ проводят только для заданного нижнего частотного диапазона, в частности между 0 Гц и 2 кГц, и/или только для заданного количества самых высокоэнергетических мод.

7. Способ (1) по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что для уменьшения порядка моделей осуществляют переход от исходных координат доменно-ориентированных моделей к модальным координатам и/или обратный переход от модальных координат к другим координатам, в частности к исходным координатам, после проведения модального анализа только для заданной выборки дискретных точек (27) наблюдения, в частности максимум для 1000 точек (27) наблюдения, в которых в целом во время симуляции определяется внешнее воздействие технического объекта.

8. Способ (1) по п. 7, отличающийся тем, что точки наблюдения автоматически устанавливают в трехмерных геометрических данных компонентов (2, 18, 19, 20, 21, 22) в зависимости от заданной категории соответствующего компонента (2, 18, 19, 20, 21, 22).

9. Способ (1) по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что при создании цифрового представления (17) электродвигателя для соединения по меньшей мере некоторых из спектральных моделей компонентов (2, 18, 19, 20, 21, 22) друг с другом и/или с заданными дополнительными элементами используют идеализированные соединительные звенья.

10. Способ (1) по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из спектральных моделей компонентов (2, 18, 19, 20, 21, 22) также связана по меньшей мере с одним заданным цифровым компонентом (23, 24, 25, 26) окружающей среды, который представляет собой окружающую среду электродвигателя в запланированном реальном применении, и за счет этого для симуляции создают цифровое представление (17) установки, включающей электродвигатель.

11. Способ (1) по п. 10, отличающийся тем, что по меньшей мере один компонент (23, 24, 25, 26) среды первоначально представлен по меньшей мере одним идеализированным элементом (3, 4, 5, 6), который замещается в процессе итеративного улучшения цифрового представления (17) установки конечно-элементной моделью или полученной из нее спектральной моделью компонента (23, 24, 25, 26) среды с пониженным порядком.

12. Устройство (С1) для обработки данных, при этом устройство (С1) выполнено для осуществления, в частности для автоматического осуществления, способа (1) по любому из пп. 1-11.