【模擬案例】舊金山金門大橋-建築橋樑&數位監測

▲Credit: Scott Haefner, U.S. Geological Survey. Public domain.

1917年，當Joseph Strauss、Leon Moisseiff和Charles Alton Ellis設計舊​​金山的金門大橋時，工程師們很可能知道它將成為舉世聞名的橋樑。畢竟，當1937年開放時，它是世界上最長、最高的懸索橋。他們根本無法想像其他工程師有一天會創建一個數位分身橋，但這就是Ozen Engineering的工程師在Ansys軟體的幫助下所做的事情。

Ozen Engineering是Ansys認證的精英合作夥伴。當公司想要創建如何在Ansys Twin Builder中使用降階建模（ROM）的證明時，他們不必花很多時間尋找範例。金門大橋位於公司加利福尼亞州Sunnyvale市總部以北不到50英里的地方。

Ozen工程部副總裁Chris Cowan說：「我們希望人們能夠認識並輕鬆理解，金門大橋是世界上被拍照次數最多的橋樑之一，每個人都知道它的樣子。」

Cowan與Ozen應用工程師Ahmed Elghandour和Anchong ”Stephen” Liu一起創建了一個模型，該模型可以獲取橋樑上的風壓，該模型將在Twin Builder中用於計算橋樑結構上的力（如風向）或速度改變情形。

/ 創建金門大橋數位分身的五個步驟

無論是創建標誌性橋樑的數位版本還是任何其他結構或系統，Ansys數位分身工作流程都是相同的。您需要一個乾淨的幾何體進行網格劃分和求解，然後創建一個降階模型（ROM）並透過Twin Builder分析該ROM。

1. 幾何

Ozen的第一個挑戰是創造一種不僅是橋樑，而且還要圍繞周圍景觀的幾何形狀。該公司使用了GrabCAD社區提供的開放幾何圖形，並將其與該地區的地形幾何圖形合併，該幾何圖形是透過Ansys ACT工具（稱為Topographic STL製造商ACT）獲得的。ACT是一個易於使用的開發環境，它使用XML和IronPython編程語言來使非專家用戶可以為高級工作流創建自定義應用程式。

「問題的一部分是幾何形狀，它不是為模擬而構建的。」Cowan說。「清理是Ansys SpaceClaim 3D建模器的工作，且效果很好。」

2. 網格劃分

除了演示如何創建數位分身外，Ozen Engineering還想展示Ansys的Mosaic Meshing技術，該技術可自動將不同類型的網格與常規多面體元素連接起來。Ansys Fluent中新的Poly-Hexcore功能使用該技術用八叉樹六邊形填充整個區域，在邊界層中保持高質量的分層多棱鏡網格，並將兩個網格與普通的多面體元素共形連接。

「橋樑的大小需要復雜的網格，以便在模擬中獲得所有不同的比例。」Cowan說。「由於採用了Ansys Fluent網格劃分，因此既簡單又有效。」

我們在說多大的網格？流體模型的尺寸為7,670 m x 6,150 m x 720 mᶟ，需要480萬個Poly-Hexcore元素和1,450萬個節點。

3. 求解

「計算流體動力學（CFD）本質上是一個非線性問題，藉由將其解決為簡單的層流或更複雜的湍流問題，它可能會變得複雜。」Elghandour說。「我們正在使用的模型具有多面六邊形網格，這是網格劃分中的最新技術之一。」

為了顯示求解Poly-Hexcore網格的準確性和速度，Ozen決定求解一個湍流模型（K-Epsilon，可實現）。

4. 為數位分身構建ROM

設置ROM的功能內置於Fluent中，可以在Ansys DesignXplorer中生成，Ansys DesignXplorer是一個集成的Ansys Workbench應用程序，用於瀏覽、理解和優化您的設計。Ozen Engineering設置了最大風速範圍和多個風向分量，然後在其中進行了研究以填充並構建ROM。

使用基於風矢量的實驗設計（DOE）研究為Twin Builder創建了功能模型（FMU）。「我們研究了風向以及典型速度條件的最小和最大範圍。」 Elghandour說。

5. 透過Twin Builder執行ROM

模擬完成後，Ozen工程師提取了ROM文件供Twin Builder使用，以預測使用不同輸入時的結果。

Ozen Engineering在Twin Builder中創建了一個數據連接器，該數據連接器使用Python腳本通過HTTP到達國家海洋和大氣管理局網站，來獲得即時的、最新的風速和方向數據。該數據將綁定到Twin Builder項目中，通過ROM進行評估。

「您可以在模擬過程中選擇任何時間步長並評估不同的結果。」Liu說。「腳本從網站上讀取了過去兩個小時的數據，並在接下來的兩個小時內不斷獲得數據，並顯示了結果。」

數據以圖表格式顯示，且ROM查看器在各個時間步長上以可視方式顯示結果數據。例如，橋樑和塔樓上的壓力分佈幾乎可即時顯示。即時數據每15秒發送一次，但每五分鐘更改一次，因為網站數據點每五分鐘更新一次。

Elghandour說：「這種數位分身的優點在於實用性強，但沒有太多細節，因此大多數人都容易理解。」「同時，這是一個複雜的CFD問題。」

Cowan說：「Ozen Engineering的團隊認識到即時模擬為預測性維護和營運計畫帶來的力量。」「我們將繼續開發結合物理原型硬體的多物理場數位分身，來展示其多功能性。」

（資料來源：Ansys）