Digitaler Zwilling

Was ist ein digitaler Zwilling?

Ein digitaler Zwilling ist eine virtuelle Repräsentation oder ein digitales Gegenstück eines physischen Objekts, Systems oder Prozesses. Es wird unter Verwendung von Echtzeitdaten, Simulations- und Modellierungstechniken erstellt, um das Verhalten, die Eigenschaften und die Leistung seines physischen Gegenstücks widerzuspiegeln. Digitale Zwillinge werden in verschiedenen Branchen eingesetzt, darunter Fertigung, Gesundheitswesen, Transport und Energie, um die Leistung zu optimieren, den Betrieb zu überwachen und die Entscheidungsfindung zu erleichtern.

Verwandte Produkte: NX CAD | Simcenter-Simulationssoftware | Solid Edge

Hauptmerkmale digitaler Zwillinge

Datenintegration in Echtzeit:

Digitale Zwillinge werden kontinuierlich mit Echtzeitdaten von Sensoren, IoT-Geräten und anderen Quellen aktualisiert und bieten jederzeit eine genaue Darstellung der physischen Anlage oder des Systems.

Simulation und Modellierung:

Digitale Zwillinge enthalten häufig Simulations- und Modellierungstechniken, um das Verhalten und die Leistung der physischen Anlage oder des Systems unter verschiedenen Bedingungen zu simulieren. Dies ermöglicht vorausschauende Analysen, Optimierungen und Szenarioplanungen.

Bidirektionale Kommunikation:

Digitale Zwillinge ermöglichen eine bidirektionale Kommunikation zwischen dem virtuellen Modell und seinem physischen Gegenstück. Das bedeutet, dass Daten und Erkenntnisse aus dem digitalen Zwilling Entscheidungen und Handlungen in der physischen Welt beeinflussen können und umgekehrt.

Überwachung und Steuerung:

Digitale Zwillinge ermöglichen die Echtzeitüberwachung und -steuerung der physischen Anlage oder des Systems aus einer virtuellen Umgebung heraus. Dies ermöglicht Fernüberwachung, Diagnose und vorausschauende Wartung, um die Leistung zu optimieren und Ausfallzeiten zu reduzieren.

Lebenszyklus-Management:

Digitale Zwillinge unterstützen den gesamten Lebenszyklus eines Produkts oder Systems, vom Design und der Entwicklung bis hin zu Betrieb und Wartung. Sie können für die Designvalidierung, Tests, Schulungen und sogar für die Außerbetriebnahme verwendet werden.

Kollaboratives Umfeld:

Digitale Zwillinge erleichtern die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Stakeholdern wie Ingenieuren, Bedienern und Wartungspersonal, indem sie eine gemeinsame Plattform für den Datenaustausch, die Analyse und die Entscheidungsfindung bieten.

Beispiele für digitale Zwillinge in der Industrie

Fertigung:

Digitale Zwillinge von Fertigungsprozessen und -anlagen können Produktionspläne optimieren, Anlagenausfälle vorhersagen und die Gesamteffizienz verbessern.

Intelligente Städte:

Digitale Zwillinge städtischer Infrastrukturen, wie z. B. Verkehrsnetze und Versorgungsunternehmen, können den Verkehrsfluss optimieren, den Energieverbrauch steuern und öffentliche Dienstleistungen verbessern.

Gesundheitswesen:

Digitale Zwillinge der Patientenphysiologie und medizinischer Geräte können personalisierte Behandlungspläne unterstützen, Gesundheitskennzahlen aus der Ferne überwachen und chirurgische Eingriffe simulieren.

Energie:

Digitale Zwillinge von Kraftwerken und erneuerbaren Energiesystemen können die Energieerzeugung optimieren, Geräteausfälle vorhersagen und die Netzstabilität verwalten.

Insgesamt bieten digitale Zwillinge einen leistungsstarken Rahmen, um Erkenntnisse zu gewinnen, die Leistung zu optimieren und Innovationen in verschiedenen Branchen voranzutreiben, indem sie die Lücke zwischen der physischen und der digitalen Welt schließen.

Durch das Einbeziehen von Multiphysiksimulations-, Datenanalyse- und Machine-Learning-Funktionen können digitale Zwillinge die Auswirkungen von Konstruktionsänderungen, Nutzungsszenarien, Umweltbedingungen und zahlreicher sonstiger Variablen demonstrieren – physische Prototypen werden überflüssig, die Entwicklungszeit wird reduziert und die Qualität des finalen Produkts oder Prozesses verbessert.

Um eine genaue Modellierung über die gesamte Lebensdauer eines Produkts oder seiner Produktion zu gewährleisten, verwenden digitale Zwillinge Daten von Sensoren, die an physischen Objekten installiert sind, um die Echtzeitleistung, die Betriebsbedingungen und die Veränderungen der Objekte im Laufe der Zeit zu bestimmen. Anhand dieser Daten entwickelt sich der digitale Zwilling weiter und wird kontinuierlich aktualisiert, um jede Änderung des physischen Gegenstücks während des gesamten Produktlebenszyklus widerzuspiegeln, wodurch ein geschlossener Feedback-Kreislauf in einer virtuellen Umgebung entsteht, der es Unternehmen ermöglicht, ihre Produkte, Produktion und Leistung zu minimalen Kosten kontinuierlich zu optimieren.

Die Anwendungsmöglichkeiten eines digitalen Zwillings hängen davon ab, in welcher Phase des Produktlebenszyklus er modelliert wird. Im Allgemeinen gibt es drei Arten von digitalen Zwillingen – Produkt, Produktion und Leistung, die im Folgenden erläutert werden. Die Kombination und Integration der drei digitalen Zwillinge, die sich gemeinsam entwickeln, wird als Digital Thread bezeichnet. Der Begriff "Faden" wird verwendet, weil er in alle Phasen des Produkt- und Produktionslebenszyklus eingewoben ist und Daten aus diesen zusammenführt.

Drei Arten von digitalen Zwillingen

1. Digitale Produktgewinne: Digitale Produktzwillinge replizieren physische Produkte in digitaler Form. Sie werden in der Produktentwicklung, beim Testen und in der Simulation eingesetzt. Digitale Zwillinge von Produkten helfen Ingenieuren und Designern zu analysieren, wie sich ein Produkt unter verschiedenen Bedingungen verhält, und ermöglichen es ihnen, sein Design und seine Funktionalität zu optimieren, bevor die physische Produktion beginnt.
2. Digitale Zwillinge verarbeiten: Prozessdigitale Zwillinge simulieren und analysieren das Verhalten physikalischer Prozesse oder Systeme. Sie werden eingesetzt, um den Betrieb komplexer Systeme wie Produktionsanlagen, Lieferketten und Energienetze zu überwachen, zu steuern und zu optimieren. Digitale Zwillinge von Prozessen ermöglichen es Unternehmen, Prozesse in Echtzeit zu visualisieren, zu simulieren und zu analysieren, was eine bessere Entscheidungsfindung und Leistungsoptimierung ermöglicht.
3. Digitale Zwillinge des Systems: Digitale Zwillinge von Systemen bilden ganze Systeme oder Ökosysteme in einer digitalen Umgebung ab. Sie integrieren mehrere digitale Zwillinge von Produkten, Prozessen und anderen Komponenten, um das Verhalten komplexer Systeme umfassend zu simulieren. Digitale Zwillinge von Systemen werden verwendet, um große Systeme wie Smart Cities, Verkehrsnetze und Industriekomplexe zu modellieren und zu analysieren.

Der digitale Zwilling in CAD- und Simulationssoftware

Die Modellierung des digitalen Zwillings kann sowohl Teil von CAD-Software (Computer-Aided Design) als auch von Simulationssoftware sein, abhängig von den spezifischen Funktionalitäten und Fähigkeiten der jeweiligen Software.

1. CAD-Software

   CAD-Software wird in erster Linie für die Erstellung detaillierter 3D-Modelle von physischen Objekten oder Systemen verwendet. Im Rahmen von digitalen Zwillingen kann CAD-Software verwendet werden, um die virtuelle Darstellung oder Geometrie des physischen Vermögenswerts zu erstellen. Dazu gehört die Modellierung der Geometrie, Struktur, Komponenten und Baugruppen des physischen Objekts. CAD-Software konzentriert sich in der Regel auf die geometrische Darstellung und die Konstruktionsabsicht und ermöglicht es Ingenieuren, genaue virtuelle Modelle von Produkten oder Systemen zu erstellen.

2. Simulationssoftware

   Simulationssoftware hingegen wird verwendet, um das Verhalten und die Leistung physikalischer Systeme unter verschiedenen Bedingungen zu simulieren. Simulationssoftware kann die Modellierung digitaler Zwillinge integrieren, indem sie Echtzeitdaten, physikbasierte Modelle und Simulationstechniken integriert, um eine virtuelle Darstellung der physischen Anlage zu erstellen. Dazu gehört die Simulation des dynamischen Verhaltens, der Wechselwirkungen und der Leistungsmerkmale des physikalischen Systems. Simulationssoftware konzentriert sich auf die Analyse und Vorhersage des Verhaltens des Systems auf der Grundlage zugrunde liegender physikalischer Prinzipien.

In der Praxis handelt es sich bei der Modellierung des digitalen Zwillings häufig um eine Kombination aus CAD-Software und Simulationssoftware. CAD-Software wird verwendet, um die geometrische Darstellung des physischen Vermögenswerts zu erstellen, während Simulationssoftware verwendet wird, um das Verhalten und die Leistung des digitalen Zwillings zu simulieren. Die Integration zwischen CAD- und Simulationssoftware ermöglicht es Ingenieuren, umfassende digitale Zwillinge zu erstellen, die das physikalische System und sein dynamisches Verhalten genau darstellen. Darüber hinaus bieten einige Softwareplattformen integrierte Lösungen, die CAD- und Simulationsfunktionen in einer einzigen Plattform kombinieren, so dass Benutzer innerhalb derselben Umgebung nahtlos von der Konstruktion zur Analyse übergehen können. Diese integrierten Lösungen ermöglichen es Ingenieuren, digitale Zwillinge effizienter und effektiver zu erstellen, zu simulieren und zu optimieren.

Sowohl Siemens NX als auch Siemens Solid Edge CAD-Software bieten integrierte Lösungen, die CAD- und Simulationsfunktionen kombinieren. NX ist eine umfassende Software-Suite, die von Siemens Digital Industries Software entwickelt wurde und erweiterte CAD-, CAM- (Computer-Aided Manufacturing), CAE- (Computer-Aided Engineering) und PLM-Funktionen (Product Lifecycle Management) umfasst. Innerhalb des NX-Ökosystems gibt es integrierte Lösungen, die einen nahtlosen Übergang von der CAD-Konstruktion zur Simulationsanalyse ermöglichen: Solid Edge ist eine umfassende Suite von CAD-Software-Tools, die von Siemens Digital Industries Software entwickelt wurde und hauptsächlich für Produktdesign, Modellierung, Zeichnung und Baugruppenmanagement entwickelt wurde. Innerhalb des Solid Edge Ökosystems gibt es integrierte Lösungen, die einen nahtlosen Übergang von der CAD-Konstruktion zur Simulationsanalyse ermöglichen:

NX CAD

NX CAD bietet leistungsstarke Werkzeuge für die 3D-Modellierung, Baugruppenkonstruktion, Zeichnung und Visualisierung. Ingenieure können mit der funktionsreichen Umgebung von NX CAD detaillierte geometrische Modelle von Produkten und Systemen erstellen. Dies dient als Grundlage für die Modellierung des digitalen Zwillings innerhalb des NX-Ökosystems. NX CAE: NX CAE (Computer-Aided Engineering) ist das Simulations- und Analysemodul von NX und bietet eine breite Palette von Funktionen für Struktur-, Wärme-, Strömungsdynamik-, Bewegungs- und Multiphysik-Simulationen. NX CAE ermöglicht es Ingenieuren, das Verhalten und die Leistung digitaler Zwillinge unter verschiedenen Betriebsbedingungen und Belastungsszenarien zu simulieren.

Integrierte Simulationsumgebung:

NX bietet eine integrierte Simulationsumgebung, in der Ingenieure CAD-Geometrie nahtlos zur Analyse an NX CAE übertragen können. Diese Integration rationalisiert den Simulations-Workflow und ermöglicht es Ingenieuren, Designvalidierungen, -optimierungen und -analysen innerhalb derselben Softwareplattform durchzuführen.

Multiphysik-Simulation

NX bietet multiphysikalische Simulationsfunktionen, die es Ingenieuren ermöglichen, Wechselwirkungen zwischen verschiedenen physikalischen Phänomenen wie Strukturmechanik, Strömungsdynamik, Wärmemanagement und elektromagnetischen Effekten zu simulieren. Dies ermöglicht eine umfassende Analyse digitaler Zwillinge, die mehrere physikalische Domänen umfassen.

Konstruktionsoptimierung

NX enthält Werkzeuge für die Designoptimierung und Sensitivitätsanalyse, die es Ingenieuren ermöglichen, Designalternativen zu untersuchen, die Leistung zu verbessern und Designziele zu erreichen. In CAD vorgenommene Konstruktionsänderungen können automatisch im Simulationsmodell aktualisiert werden, wodurch Konsistenz und Genauigkeit während des gesamten Konstruktionsprozesses gewährleistet werden.

Insgesamt bietet die CAD-Software von Siemens integrierte Lösungen, die CAD- und Simulationsfunktionen kombinieren und es Ingenieuren ermöglichen, digitale Zwillinge effizienter und effektiver zu erstellen, zu simulieren und zu optimieren. Diese Integration verbessert die Zusammenarbeit, rationalisiert Arbeitsabläufe und beschleunigt die Produktentwicklung in verschiedenen Branchen.

Der ausführbare digitale Zwilling (xDT)

Im Gegensatz zu herkömmlichen digitalen Zwillingen, die in erster Linie zur Überwachung und Analyse verwendet werden, sind ausführbare digitale Zwillinge aktive, dynamische Modelle, die auf Eingaben reagieren, Szenarien simulieren und Entscheidungen autonom oder mit menschlichem Eingreifen treffen können. Der ausführbare digitale Zwilling (oder xDT). Vereinfacht ausgedrückt ist der xDT der digitale Zwilling auf einem Chip. Das xDT verwendet Daten von einer (relativ) kleinen Anzahl von Sensoren, die in das physische Produkt eingebettet sind, um Echtzeitsimulationen mit Modellen reduzierter Ordnung durchzuführen. Aus dieser geringen Anzahl von Sensoren kann es den physikalischen Zustand für jeden Punkt des Objekts vorhersagen, selbst für Stellen, an denen es unmöglich wäre, Sensoren zu platzieren.

Hauptmerkmale von ausführbaren digitalen Zwillingen

Echtzeit-Simulation und -Interaktion

Ausführbare digitale Zwillinge (xDT) sind in der Lage, das Verhalten und die Leistung der physischen Anlage oder des Systems in Echtzeit zu simulieren. Sie können auf Eingaben reagieren, unterschiedliche Betriebszustände simulieren und dynamisch mit externen Systemen oder Benutzern interagieren.

Autonomie und Entscheidungsfindung

Ausführbare digitale Zwillinge (xDT) können auf Basis vordefinierter Regeln, Algorithmen oder Machine-Learning-Modelle autonom Entscheidungen treffen. Sie können Daten analysieren, Ergebnisse vorhersagen und Maßnahmen ergreifen, um die Leistung zu optimieren oder auf sich ändernde Bedingungen zu reagieren.

Regelung im geschlossenen Regelkreis

Ausführbare digitale Zwillinge (xDT) arbeiten häufig in einem geschlossenen Steuerungssystem, bei dem Echtzeitdaten von Sensoren und Aktoren in das virtuelle Modell zurückgeführt werden, um Parameter anzupassen, die Leistung zu optimieren und die gewünschten Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten.

Vorausschauende Analyse und Optimierung:

Ausführbare digitale Zwillinge (xDT) verwenden prädiktive Analyse- und Optimierungstechniken, um zukünftiges Verhalten vorherzusagen, potenzielle Probleme oder Chancen zu identifizieren und Maßnahmen zur Verbesserung der Leistung oder zur Minderung von Risiken zu empfehlen.

Integration mit IoT- und KI-Technologien

Ausführbare digitale Zwillinge (xDT) nutzen IoT-Sensoren, Konnektivität und Algorithmen der künstlichen Intelligenz (KI), um Echtzeitdaten zu sammeln, komplexe Muster zu analysieren und fundierte Entscheidungen zu treffen. Sie können auch Modelle des maschinellen Lernens für adaptives Verhalten und kontinuierliche Verbesserung enthalten.

Dynamische Anpassung und Lernen

Ausführbare digitale Zwillinge (xDT) sind in der Lage, aus Erfahrungen zu lernen und sich im Laufe der Zeit an Veränderungen der Umgebung oder der Betriebsbedingungen anzupassen. Sie können ihre Modelle, Parameter und Strategien auf der Grundlage neuer Daten und Rückmeldungen kontinuierlich aktualisieren.

Ausführbare digitale Zwillinge finden Anwendung in verschiedenen Branchen, darunter Fertigung, Energie, Transport, Gesundheitswesen und Smart Cities. Sie ermöglichen vorausschauende Wartung, autonomen Betrieb, Optimierung von Prozessen und Entscheidungsunterstützung in komplexen Systemen, in denen Echtzeitüberwachung und -steuerung entscheidend sind. Insgesamt stellen ausführbare digitale Zwillinge die nächste Evolutionsstufe in der Technologie des digitalen Zwillings dar und bieten erweiterte Funktionen für die Echtzeitsimulation, Entscheidungsfindung und Optimierung physischer Anlagen und Systeme. Ein ausführbarer digitaler Zwilling ist eine fortschrittliche Form eines digitalen Zwillings, der nicht nur eine virtuelle Nachbildung einer physischen Anlage oder eines Systems darstellt, sondern auch in der Lage ist, das virtuelle Modell in Echtzeit auszuführen, zu simulieren und mit ihm zu interagieren.

Das xDT basiert auf Physik

Ein physikbasierter ausführbarer digitaler Zwilling basiert auf mathematischen Modellen, die das physikalische Verhalten des zu replizierenden Systems beschreiben. Diese Modelle basieren in der Regel auf grundlegenden Prinzipien der Physik wie Mechanik, Thermodynamik, Fluiddynamik, Elektromagnetik usw. Durch das Lösen der Gleichungen, die diese physikalischen Phänomene bestimmen, kann der digitale Zwilling das Verhalten des realen Systems in einer virtuellen Umgebung simulieren. Eigenschaften eines physikbasierten ausführbaren digitalen Zwillings

Physikbasierte Modelle

Der digitale Zwilling enthält physikbasierte Modelle, die das Verhalten des physikalischen Systems genau abbilden. Diese Modelle können Gleichungen enthalten, die Bewegung, Wärmeübertragung, Flüssigkeitsströmung, elektrische Schaltkreise, Strukturmechanik und andere physikalische Phänomene beschreiben, die für das zu modellierende System relevant sind.

Simulation physikalischer Prozesse

Der digitale Zwilling simuliert die physikalischen Vorgänge und Wechselwirkungen innerhalb des Systems mit Hilfe physikbasierter Modelle. Auf diese Weise kann vorhergesagt werden, wie sich das System unter verschiedenen Betriebsbedingungen, Eingaben und Szenarien verhalten wird.

Echtzeitsimulation

Ein ausführbarer digitaler Zwilling, der auf physikalischen Modellen basiert, kann das Verhalten des physikalischen Systems in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit simulieren. Dies ermöglicht eine dynamische Interaktion und Entscheidungsfindung auf der Grundlage des aktuellen Zustands des Systems und seiner Umgebung.

Regelung im geschlossenen Regelkreis

Physikbasierte ausführbare digitale Zwillinge arbeiten häufig in einem geschlossenen Regelungssystem, in dem Echtzeitdaten von Sensoren und Aktoren verwendet werden, um die Simulationsparameter anzupassen und das Verhalten des virtuellen Modells zu steuern. Auf diese Weise kann der digitale Zwilling die gewünschten Betriebsbedingungen aufrechterhalten und die Leistung optimieren.

Validierung und Verifizierung

Physikbasierte Modelle, die in ausführbaren digitalen Zwillingen verwendet werden, müssen validiert und verifiziert werden, um ihre Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Dabei werden Simulationsergebnisse mit realen Messungen und experimentellen Daten verglichen, um zu bestätigen, dass der digitale Zwilling das physikalische System genau abbildet.

Während die physikbasierte Modellierung häufig in ausführbaren digitalen Zwillingen verwendet wird, ist es wichtig zu beachten, dass auch andere Modellierungsansätze, wie z. B. datengesteuerte Modellierung, empirische Modelle oder hybride Modelle, die Physik und datengesteuerte Techniken kombinieren, je nach den spezifischen Anforderungen und Einschränkungen der Anwendung eingesetzt werden können.

Siemens Simcenter

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Entwicklungsabteilungen müssen heute intelligente Produkte entwickeln, die mechanische Funktionen mit Elektronik und Steuerungen integrieren, neue Materialien und Fertigungsmethoden verwenden und neue Designs innerhalb immer kürzerer Konstruktionszyklen liefern. Dies erfordert, dass sich die aktuellen technischen Praktiken für die Überprüfung der Produktleistung zu einem digitalen Zwillingsansatz entwickeln, der es Ihnen ermöglicht, einen prädiktiveren Prozess für die systemgesteuerte Produktentwicklung zu verfolgen.

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