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基于仿真的数字孪生体与工业物联网如何提

升产品及流程性能

仿真一直被用于改进几乎每一种物理产品或流程的设计，因为它能在构建物理原型之前就对各种备选设计

方案进行评估。此外，仿真还被用于建模不同的工作场景，以研发出各种包含控制算法以改善操作的控制

策略。物联网（IoT）的兴起为其顺利转型提供了潜在推动力，人们可通过因特网将产品或流程的仿真模型

与采集数据的传感器及控制操作的致动器相连接。得到的结果就是所谓的物理产品或流程的数字孪生体，

它不仅能用于实时分析和诊断操作，而且还可用于优化性能和维护工作。仿真与物联网完美结合，可帮助

企业分析现实工作条件下的产品性能，并信心十足地预测未来的产品性能，从而提高产品操作性能与生产

力的同时，还可降低计划外停机带来的成本和风险。

物联网方兴未艾物联网正在改变企业的整个产品生命周期，从研发、测试与制造

到运营与维护，无所不包。智能互联产品利用它与云端及其它设

备的连接，即可交付前所未有的功能。智能互联产品的推广应用

不仅为用户提供振奋人心的全新功能，同时还能为研发这些产品

的企业提供大量机遇。目前接入因特网的智能设备数量已经超过

了全球人口数。物联网设备正在为现有企业带来巨大机遇，同时

也催生出全新的市场与公司。到2025年，潜在的经济影响预计

每年高达11万亿美元。

早期的物联网应用集中在相对简单的领域，例如确定物理资产状

态和发布简单指令（如开启/关闭某个物理资产）等。但是智能

互联产品的制造商和用户正在向人们展示：通过集成仿真技术能

增加物联网的功能。仿真不仅能实时地执行诊断与故障排除、预

测故障、确定可进行维护的最优点、优化产品性能，而且还可采

集用于完善新一代设计的信息。

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HowSimulation-BasedDigitalTwinsandtheIndustrialInternetof

ThingsCanImproveProductandProcessPerformance

仿真在物联网中的角色业界领先者纷纷使用仿真来创建复杂产品与系统（包含了机械、

电子与嵌入式软件组件）的虚拟原型，同时将现实环境中存在的

一切物理现象都纳入考量范围。例如，计算流体动力学（CFD）

软件可用于对流体流动进行建模和预测，这一点对于优化许多产

品与流程的效率非常关键，其中包括汽车发动机内部的汽油燃烧，

页岩气构造中化学溶液穿过孔隙的运动等等。结构分析软件可用

于预测产品将如何对力、热、电磁场、磨损及其他物理效应做出

响应，以判断所推荐的设计是否能满足设计要求。电磁仿真可预

测计算机芯片、电路板、蜂窝电话、汽车电子组件和完整通信系

统的信号完整性、电源完整性以及热完整性，无需浪费时间构建

和测试成本高昂的原型即可迅速优化设计。另外，软件工程师可

利用软件研发工具和经过认证的代码生成器，以确保越来越多地

用于管理和控制众多产品运行的嵌入式软件具备高质量，防止产

品发生故障。

基于多物理场的仿真不断推动产品研发流程

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此外，仿真也可用于设计嵌入在控制算法中的简化降阶模型，以

便对汽车、电厂、机床、印刷机、化学反应器等设备的工作情况

进行管理。例如，让我们了解一下在电动车辆（EV）和混合动力

汽车（HEV）中使用电池所面临的高难度挑战。电池不仅是上述

车辆的主要动力源，同时也是大量电气辅助系统的电源。必须妥

善管理电池的运行，以避免过热，因为这会降低供电效率并缩短

电池的使用寿命。工程师通常对圆柱形电池采用空气冷却策略，

因为其外壳形状能实现最优的冷却性能，而且使用风机与导流叶

片就能提供充足的气流。对于矩形电池来说，一般通过与电池接

触的热交换器单元中的液体循环来实现冷却。控制算法可根据温

度读数和充电器状态来改变不同电池单元的载荷。

数字孪生体架构

通常情况下，仿真可用于在各种条件下评估和优化电池的热性能。

流体动力学求解器可用于对复杂的3D冷却流和共轭（双向固体-

流体）热传递进行分析。工程师使用电子电路仿真技术来评估用

于管理电池热性能的控制算法，同时还能防止过度充电、大电流

充放电、外部短路及其它电气问题，以避免缩短电池使用寿命和

造成电池爆炸风险。工程仿真能将3D物理模型（流体动力学和

机械）紧密集成到控制电路仿真中，堪称设计此类算法的理想选择。

参数化和试验设计等方法则可用于在每组工作条件下发现最佳的

控制系统参数。得到的仿真结果可用于生成降阶模型，后者会被

集成到电池中的电子控制单元（ECU）所使用的控制逻辑。

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HowSimulation-BasedDigitalTwinsandtheIndustrialInternetof

ThingsCanImpro