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大基建系统工程与数字孪生全攻略——集成仿真

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  • 来源:
  • 发布时间:2021-11-23
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【概要描述】根据全球权威战略顾问公司CIMdata的市场分析报告,我们目前正处于“仿真驱动设计(Simulation-Driven Engineering)”的时代,这个时代仿真是用来集成和定义物理设计的,而不仅仅是用来评估和验证已成型的设计。如果我们应用系统工程思维和基于模型的方法,在设计早期引入仿真,应用“仿真驱动的设计”、基于施工和运维的设计(Design to Construct / Operate)、集成仿真来简化设计验证、通过“单一真相源” 的协作环境减少迭代、并集中更多精力在更复杂的问题上的话,我们就可以实现缩短项目周期、提供项目利润的同时保障设计的完整性。

大基建系统工程与数字孪生全攻略——集成仿真

【概要描述】根据全球权威战略顾问公司CIMdata的市场分析报告,我们目前正处于“仿真驱动设计(Simulation-Driven Engineering)”的时代,这个时代仿真是用来集成和定义物理设计的,而不仅仅是用来评估和验证已成型的设计。如果我们应用系统工程思维和基于模型的方法,在设计早期引入仿真,应用“仿真驱动的设计”、基于施工和运维的设计(Design to Construct / Operate)、集成仿真来简化设计验证、通过“单一真相源” 的协作环境减少迭代、并集中更多精力在更复杂的问题上的话,我们就可以实现缩短项目周期、提供项目利润的同时保障设计的完整性。

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01/WHEN & WHERE – 对应的阶段与方案定位

 

 

02/WHY – 价值是什么

 

根据全球权威战略顾问公司CIMdata的市场分析报告,我们目前正处于“仿真驱动设计(Simulation-Driven Engineering)”的时代,这个时代仿真是用来集成和定义物理设计的,而不仅仅是用来评估和验证已成型的设计。

 

大多数能源和基建领域的企业依然沿用传统的串行设计流程,仿真计算仅仅用于被动地验证设计,而且一旦验证不通过的话,大规模的返工和迭代都是难免的,这样做的结果就是总体效率缺乏、可追溯性不足、以及设计优化缺失。

 

如果我们应用系统工程思维和基于模型的方法,在设计早期引入仿真,应用“仿真驱动的设计”、基于施工和运维的设计(Design to Construct / Operate)、集成仿真来简化设计验证、通过“单一真相源” 的协作环境减少迭代、并集中更多精力在更复杂的问题上的话,我们就可以实现缩短项目周期、提供项目利润的同时保障设计的完整性。

 

 

03/WHAT – 做什么

 

目前除了少数头部精英科技企业应用“基于模型”的组织架构,大部分能源和基建的企业组织和科室还是基于专业,各专业科室的仿真工具都是用的顺手但零散的,对于工程师个人的工作很便利,但对于系统整体则缺乏完整性和数字化连续性。

 

从仿真工具“山头林立”的现状,到未来“集成仿真”驱动的设计要经过四个步骤:

 

  1. 平台统一管控仿真数据
  2. 基于现有工具重用仿真业务流程
  3. 自动化全仿真流程
  4. 仿真驱动的设计

 

 

1. 平台统一管控仿真数据

 

a. 内容管理:创建和管理协作空间,在内容上实现同步和协作管控;应用平台3DSearch和6wtag,通过语义搜索迅速找到所需的内容。

 

 

b. 协作和看板(管理驾驶舱):个性化设置看板,用于直观展示业务和项目数据和图表;通过即时消息、协同校审以及3D模型共享浏览把各专业零散的流程集成在一起。

 

 

c. 基于3DEXPERIENCE平台统筹管控仿真数据:审查并验证输入数据、模型和结果的工作流;可追溯的变更管理和版本控制;通过对象依赖关系来分析变更影响。

 

 

d. 与系统需求直接关联,将仿真与需求同步:通过需求管理流程来实现满足标准和规格要求;通过嵌入运行需求和约束来实现基于运行的设计;通过弥合需求、设计与移交之间的不一致来降低设计成本并减少返工;并提高整体可追溯性。

 

 

2. 基于现有工具重用仿真业务流程

 

a. 应用SIMULIA - Process Composer集成外部工具:保留现有仿真环境,尽量避免转换工具所产生的额外成本;通过3DEXPERIENCE平台外部工具的集成功能来支持更广泛的业务流程。

 

 

b. 管理各专业仿真:集成现有工具集,并通过通用仿真数据管理来重用仿真流程。

 

c. 仿真流程模板:生成仿真流程模板以捕获可重用的仿真流程;通过共享和固化这些模板来提高工作效率,并保障系统设计和优化的一致性。

 

 

3. 自动化全仿真流程

 

a. 应用SIMULIA - Process Composer这类仿真软件来集成应用、规则和数据:一套流程,多个备选方案,针对所有应用场景,自动化评估所有运行和非正常工况下的各种设计方案。多专业验证:通过多专业仿真工具对系统进行360度评估:机电、工艺、成本、风险、可施工性、可靠性等。

 

b. 通过权衡分析支持决策:利用嵌入式智能(Embedded Intelligence)、内存分析(In-Memory Analytics)和交互式可视化来实现多标准选择(Multi-criteria Selection);使用显性、透明的多目标偏好算法和注释笔记来评估跨专业的设计备选方案来支持设计决策。

 

 

4. 仿真驱动的设计

 

a.从CAD设计生成仿真模型,并提取实践:创建和共享已验证的材料属性;基于规则的网格工具;应用设计模板创建和重用组合的有限元特征(FEM feature)。

 

b.仿真驱动设计(Simulation-Driven Engineering):一套数据集、多个应用,来研究同一物体多个“面”关联的所有专业;基于模型的工程设计(Model-based engineering),随着设计的不断迭代完善,仿真中的细节层次也在不断发展;应用知识工程生成流程模板。

 

 

 

04/HOW – 怎么做

 

1. 流体仿真分析

 

当系统工艺流程与液体和/或气体关联时,用于研究流体流动效率、混合不良或不均匀加热等工况,来更好理解工艺流程和热性能,并降低设备损坏和风险事件的概率,同时通过数字化仿真避免开发昂贵的原型设备。

 

可实现的仿真分析包括:

 

  1. 流体动力学分析
    1. 流量优化(压降、混合、循环区域)
    2. 腐蚀、气蚀

 

  1. 传热分析
    1. 热交换器性能分析
    2. 加热和冷却分析

 

  1. 多相流体仿真
    1. 混合、腾涌

 

  1. 空气动力学分析
    1. 暖通空调分析
    2. 建筑物和构筑物风荷载

 

 

2. 结构仿真分析

 

预测由固定或移动荷载(重量)、环境荷载(风、地震、雪)或特殊事件(爆炸、洪水)引起的结构变形和应力以及内部荷载,用于保障运行期间或特殊事件发生时的结构完整性,实现稳健的详细设计的同时尽量节省原材料。

 

可实现的仿真分析包括:

 

  1. 线性或非线性计算
  2. 静态、动态、屈曲计算
  3. 梁、壳、实体组件计算
  4. 从线性弹性到塑性计算,以及损伤模型
  5. 土壤结构相互作用
  6. 螺栓拧紧详细分析

 

 

3. 管道应力分析

 

基于管道的温度及压力波动、自身重量、环境载荷(风、地震)、振动和螺栓紧固等产生的需求规格,通过仿真计算管道的应力和设备上的载荷。

 

可实现的仿真分析包括:

 

  1. 应力计算

 

    1. 塑性变形
    2. 塑性失稳或破损
    3. HSLC-高应变低周疲劳
    4. 膜应力及弯曲应力

 

  1. 荷载计算

 

    1. 持续荷载(正常设备运行-压力、重量、振动)
    2. 偶然荷载(地震、风、流体瞬变)
    3. 膨胀荷载(热膨胀和收缩、地震移动和建筑沉降)

 

 

  1. 管路支架计算:

 

    1.  重量荷载应力
    2.  热膨胀或收缩应力
    3. 动态载荷应力

 

 

4. 流体弥散分析

 

通过提前仿真潜在的灾害场景来制定应对风险的预案:

 

  1. 预测潜在的环境影响
  2. 保障设计符合法律、规格要求
  3. 定义安全操作程序
  4. 以直观的3D作为宣传手段与公众沟通

 

 

5. FFS(Fitness-for-Service 适用性评估)

 

通过仿真分析来评估部件或组件的结构完整性,用于预测缺陷或损伤,进而确定调试方案:按现状运行、维修、重新评估、或确定更换。价值体现为提高生产、避免不必要停堆、维持电厂完整性。

 

 

6. 系统安全性与可靠性分析

 

对于系统安全性与可靠性需要初步风险评估(PRA-Preliminary Risk Assessment)来定义系统的不良影响;失效模式与影响分析(FMEA-Failure Modes & Effects Analysis)来定义失效模式,分析每种失效模式的根本原因;故障树分析(FTA-Fault Tree Analysis)通过计算原因的发生率来估算系统故障发生的概率,并计算出割集列表。

 

 

7. 虚拟调试

 

应用CATIA – ControlBuild定义虚拟仪控系统用于仿真工况性能和故障,以及操作员培训,包括:软件和自动化、机械、电气、电子、气动、热工、水力、流体等系统。

 

 

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