数字孪生

什么是数字孪生？

数字孪生是物理对象、系统或过程的虚拟表示或数字对应物。它是使用实时数据、模拟和建模技术创建的，以反映其物理对应物的行为、特征和性能。数字孪生被用于制造、医疗保健、运输和能源等各个行业，以优化性能、监控运营并促进决策。

相关产品：NX CAD |Simcenter仿真软件 |Solid Edge

数字孪生的主要特征

实时数据集成：

数字孪生使用来自传感器、物联网设备和其他来源的实时数据不断更新，在任何给定时间提供物理资产或系统的准确表示。

仿真和建模：

数字孪生通常结合仿真和建模技术来模拟物理资产或系统在不同条件下的行为和性能。这允许预测分析、优化和场景规划。

双向通信：

数字孪生支持虚拟模型与其物理对应物之间的双向通信。这意味着来自数字孪生的数据和见解可以为物理世界的决策和行动提供信息，反之亦然。

监测和控制：

数字孪生允许从虚拟环境对物理资产或系统进行实时监视和控制。这支持远程监控、诊断和预测性维护，以优化性能并减少停机时间。

生命周期管理：

数字孪生支持产品或系统的整个生命周期，从设计和开发到运维。它们可用于设计验证、测试、培训甚至退役。

协作环境：

数字孪生通过为数据共享、分析和决策提供通用平台，促进工程师、操作员和维护人员等不同利益相关者之间的协作。

行业中的数字孪生示例

制造：

制造流程和设备的数字孪生可以优化生产计划，预测设备故障并提高整体效率。

智慧城市：

城市基础设施（如交通网络和公用事业）的数字孪生可以优化交通流量、管理能源消耗并增强公共服务。

医疗保健：

患者生理学和医疗设备的数字孪生可以支持个性化的治疗计划，远程监控健康指标并模拟外科手术。

能源：

发电厂和可再生能源系统的数字孪生可以优化能源生产、预测设备故障并管理电网稳定性。

总体而言，数字孪生提供了一个强大的框架，通过弥合物理世界和数字世界之间的差距，为获得洞察力、优化性能和推动各行各业的创新提供了强大的框架。

通过结合多物理场仿真、数据分析和机器学习功能，数字孪生不再需要搭建实体原型，即可展示设计变更、使用场景、环境条件和其他无限变量所带来的影响，同时缩短开发时间，并提高成品或流程的质量。

为确保在产品或其生产的整个生命周期内进行精确建模，数字孪生采用了安装在实际对象上的传感器数据来确定对象的实时性能、操作条件，以及随时间产生的更改。利用这些数据，数字孪生不断发展并不断更新，以反映整个产品生命周期中物理对应物的任何变化，从而在虚拟环境中创建反馈闭环，使公司能够以极低的成本不断优化其产品、生产和性能。

数字孪生的潜在应用取决于建模产品生命周期所处的阶段。一般来说，数字孪生有三种类型 - 产品、生产和性能，下面将对其进行详细说明。三种数字孪生随着共同的演进而进行的组合和集成统称为数字主线。使用术语“主线”是因为该过程融入了产品和生产生命周期的所有阶段并将数据汇集在一起。

三种类型的数字孪生

1. 产品数字孪生：产品数字孪生以数字形式复制物理产品。它们用于产品设计、测试和模拟。产品数字孪生可帮助工程师和设计师分析产品在不同条件下的性能，使他们能够在实际生产开始之前优化其设计和功能。
2. 过程数字孪生：过程数字孪生模拟和分析物理过程或系统的行为。它们用于监视、控制和优化制造工厂、供应链和能源网等复杂系统的运行。过程数字孪生使组织能够实时可视化、模拟和分析流程，从而促进更好的决策和绩效优化。
3. 系统数字孪生：系统数字孪生在数字环境中复制整个系统或生态系统。它们集成了产品、流程和其他组件的多个数字孪生，以全面模拟复杂系统的行为。系统数字孪生用于对智慧城市、交通网络和工业园区等大型系统进行建模和分析。

CAD 和仿真软件中的数字孪生

数字孪生建模可以是 CAD（计算机辅助设计）软件和仿真软件的一部分，具体取决于相关软件的特定功能和能力。

1. CAD 软件

   CAD 软件主要用于创建物理对象或系统的详细 3D 模型。在数字孪生的背景下，CAD软件可用于创建物理资产的虚拟表示或几何图形。这包括对物理对象的几何、结构、组件和装配体进行建模。CAD 软件通常侧重于几何表示和设计意图，使工程师能够创建产品或系统的精确虚拟模型。

2. 仿真软件

   另一方面，仿真软件用于仿真物理系统在各种条件下的行为和性能。仿真软件可以通过集成实时数据、基于物理的模型和仿真技术来整合数字孪生建模，以创建物理资产的虚拟表示。这包括模拟物理系统的动态行为、交互和性能特征。仿真软件侧重于根据基本物理原理分析和预测系统的行为。

在实践中，数字孪生建模通常涉及 CAD软件 和 仿真软件的组合。CAD 软件用于创建物理资产的几何表示，而仿真软件用于模拟数字孪生的行为和性能。CAD 和仿真软件之间的集成使工程师能够创建全面的数字孪生，准确表示物理系统及其动态行为。此外，一些软件平台提供集成解决方案，将 CAD 和仿真功能结合到一个平台中，允许用户在同一环境中从设计无缝过渡到分析。这些集成解决方案使工程师能够更高效地创建、仿真和优化数字孪生。

Siemens NX 和 Siemens Solid Edge CAD 软件都提供结合了 CAD 和仿真功能的集成解决方案。NX 是 Siemens Digital Industries Software 公司开发的综合软件套件，其中包括先进 CAD、CAM（计算机辅助制造）、CAE（计算机辅助工程）和 PLM（产品生命周期管理）功能。在 NX 生态系统中，有一些集成解决方案可以实现从 CAD 设计到仿真分析的无缝过渡：Solid Edge 是由 Siemens Digital Industries Software 开发的一套全面的 CAD 软件工具，主要用于产品设计、建模、绘图和装配管理。在 Solid Edge 生态系统中，有一些集成解决方案可以促进从 CAD 设计到仿真分析的无缝过渡：

NX CAD

NX CAD 为 3D 建模、装配设计、绘图和可视化提供了强大的工具。工程师可以使用 CAD 功能丰富的环境创建产品和系统的详细几何模型 NX 。这是 NX 生态系统中数字孪生建模的基础。NX CAE：NX CAE（计算机辅助工程）是 NX的仿真和分析模块，为结构、热、流体动力学、运动和多物理场仿真提供了广泛的功能。NX CAE 允许工程师在各种操作条件和负载场景下模拟数字孪生的行为和性能。

集成仿真环境：

NX 提供了一个集成的仿真环境，工程师可以将CAD几何图形无缝传输到 NX CAE进行分析。这种集成简化了仿真工作流程，使工程师能够在同一软件平台内执行设计验证、优化和分析。

多物理场仿真

NX 提供多物理场仿真功能，使工程师能够仿真不同物理现象之间的相互作用，例如结构力学、流体动力学、热管理和电磁效应。这允许对涉及多个物理场的数字孪生进行全面分析。

设计优化

NX 包括用于设计优化和敏感性分析的工具，使工程师能够探索设计备选方案、提高性能并满足设计目标。在 CAD 中所做的设计更改可以在仿真模型中自动更新，从而确保整个设计过程的一致性和准确性。

总体而言，西门子 CAD 软件提供了结合 CAD 和仿真功能的集成解决方案，使工程师能够更高效地创建、仿真和优化数字孪生。这种集成增强了协作，简化了工作流程，并加速了各行各业的产品开发。

可执行数字孪生 （xDT）

与主要用于监控和分析的传统数字孪生不同，可执行数字孪生是主动的动态模型，可以响应输入、模拟场景以及自主或人工干预做出决策。可执行数字孪生（或 xDT）。简单来说，xDT是芯片上的数字孪生。xDT 使用来自嵌入在物理产品中的（相对）少量传感器的数据，使用降阶模型执行实时仿真。通过这些少量传感器，它可以预测物体上任何点的物理状态，即使在无法放置传感器的位置亦是如此。

可执行数字孪生的主要特征

实时仿真和交互

可执行数字孪生 （xDT） 能够实时模拟物理资产或系统的行为和性能。它们可以响应输入，模拟不同的操作条件，并与外部系统或用户进行动态交互。

自主权和决策权

可执行数字孪生 （xDT） 可以根据预定义的规则、算法或机器学习模型自主做出决策。他们可以分析数据、预测结果并采取行动来优化性能或响应不断变化的条件。

闭环控制

可执行数字孪生 （xDT） 通常在闭环控制系统中运行，其中来自传感器和执行器的实时数据被反馈到虚拟模型中，以调整参数、优化性能并保持所需的运行条件。

预测分析和优化：

可执行数字孪生 （xDT） 使用预测分析和优化技术来预测未来行为、识别潜在问题或机会，并推荐提高性能或降低风险的行动。

与物联网和人工智能技术集成

可执行数字孪生 （xDT） 利用物联网 （IoT） 传感器、连接和人工智能 （AI） 算法来收集实时数据、分析复杂模式并做出明智的决策。它们还可以结合机器学习模型，以实现适应性行为和持续改进。

动态适应和学习

可执行数字孪生（xDT）能够从经验中学习，并适应环境或操作条件随时间的变化。他们可以根据新的数据和反馈不断更新他们的模型、参数和策略。

可执行数字孪生可在各行各业找到应用，包括制造、能源、交通、医疗保健和智慧城市。它们能够在实时监测和控制至关重要的复杂系统中实现预测性维护、自主操作、流程优化和决策支持。总体而言，可执行数字孪生代表了数字孪生技术的下一次发展，为物理资产和系统的实时仿真、决策和优化提供了增强的功能。可执行数字孪生是数字孪生的一种高级形式，它不仅代表物理资产或系统的虚拟副本，而且还具有实时执行、模拟虚拟模型并与之交互的能力。

xDT 基于物理场

基于物理场的可执行数字孪生依赖于描述被复制系统的物理行为的数学模型。这些模型通常基于物理学的基本原理，例如力学、热力学、流体动力学、电磁学等。通过求解控制这些物理现象的方程，数字孪生可以模拟虚拟环境中真实世界系统的行为。 基于物理场的可执行数字孪生的特征

基于物理场的模型

数字孪生包含基于物理场的模型，可准确表示物理系统的行为。这些模型可能包括描述运动、传热、流体流动、电路、结构力学以及与被建模系统相关的其他物理现象的方程。

物理过程仿真

数字孪生使用基于物理的模型模拟系统内的物理过程和交互。这使其能够预测系统在不同操作条件、输入和场景下的行为。

实时仿真

基于物理模型的可执行数字孪生可以实时或近乎实时地模拟物理系统的行为。这样就可以根据系统及其环境的当前状态进行动态交互和决策。

闭环控制

基于物理场的可执行数字孪生通常在闭环控制系统中运行，其中来自传感器和执行器的实时数据用于调整仿真参数并控制虚拟模型的行为。这使得数字孪生能够保持所需的运行条件并优化性能。

验证和确认

可执行数字孪生中使用的基于物理场的模型必须经过验证和确认，以确保其准确性和可靠性。这涉及将仿真结果与真实世界的测量和实验数据进行比较，以确认数字孪生准确地代表了物理系统。

虽然基于物理场的建模通常用于可执行数字孪生，但需要注意的是，也可以根据应用程序的特定要求和约束采用其他建模方法，例如数据驱动建模、经验模型或结合物理和数据驱动技术的混合模型。

西门子 Simcenter

Simcenter™ 软件独特地结合了系统仿真、3D CAE 和测试，可帮助您更早地预测所有关键属性的性能，并贯穿整个产品生命周期。Simcenter 将基于物理场的仿真与通过数据分析得出的洞察相结合，帮助您优化设计并且更快更可靠地交付创新。

如今，工程部门必须开发智能产品，将机械功能与电子和控制集成在一起，利用新材料和制造方法，并在更短的设计周期内交付新设计。这需要将产品性能验证的当前工程实践演变为数字孪生方法，使您能够遵循更具预测性的流程进行系统驱动的产品开发。

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