01/WHEN & WHERE – 對應的階段與方案定位

 

 

02/WHY – 價值是什么

 

根據全球權威戰略顧問公司CIMdata的市場分析報告，我們目前正處于“仿真驅動設計（Simulation-Driven Engineering）”的時代，這個時代仿真是用來集成和定義物理設計的，而不僅僅是用來評估和驗證已成型的設計。

 

大多數能源和基建領域的企業依然沿用傳統的串行設計流程，仿真計算僅僅用于被動地驗證設計，而且一旦驗證不通過的話，大規模的返工和迭代都是難免的，這樣做的結果就是總體效率缺乏、可追溯性不足、以及設計優化缺失。

 

如果我們應用系統工程思維和基于模型的方法，在設計早期引入仿真，應用“仿真驅動的設計”、基于施工和運維的設計（Design to Construct / Operate）、集成仿真來簡化設計驗證、通過“單一真相源” 的協作環境減少迭代、并集中更多精力在更復雜的問題上的話，我們就可以實現縮短項目周期、提供項目利潤的同時保障設計的完整性。

 

 

03/WHAT – 做什么

 

目前除了少數頭部精英科技企業應用“基于模型”的組織架構，大部分能源和基建的企業組織和科室還是基于專業，各專業科室的仿真工具都是用的順手但零散的，對于工程師個人的工作很便利，但對于系統整體則缺乏完整性和數字化連續性。

 

從仿真工具“山頭林立”的現狀，到未來“集成仿真”驅動的設計要經過四個步驟：

 

1. 平臺統一管控仿真數據
2. 基于現有工具重用仿真業務流程
3. 自動化全仿真流程
4. 仿真驅動的設計

 

 

1. 平臺統一管控仿真數據

 

a. 內容管理：創建和管理協作空間，在內容上實現同步和協作管控；應用平臺3DSearch和6wtag，通過語義搜索迅速找到所需的內容。

 

 

b. 協作和看板（管理駕駛艙）：個性化設置看板，用于直觀展示業務和項目數據和圖表；通過即時消息、協同校審以及3D模型共享瀏覽把各專業零散的流程集成在一起。

 

 

c. 基于3DEXPERIENCE平臺統籌管控仿真數據：審查并驗證輸入數據、模型和結果的工作流；可追溯的變更管理和版本控制；通過對象依賴關系來分析變更影響。

 

 

d. 與系統需求直接關聯，將仿真與需求同步：通過需求管理流程來實現滿足標準和規格要求；通過嵌入運行需求和約束來實現基于運行的設計；通過彌合需求、設計與移交之間的不一致來降低設計成本并減少返工；并提高整體可追溯性。

 

 

2. 基于現有工具重用仿真業務流程

 

a. 應用SIMULIA - Process Composer集成外部工具：保留現有仿真環境，盡量避免轉換工具所產生的額外成本；通過3DEXPERIENCE平臺外部工具的集成功能來支持更廣泛的業務流程。

 

 

b. 管理各專業仿真：集成現有工具集，并通過通用仿真數據管理來重用仿真流程。

 

c. 仿真流程模板：生成仿真流程模板以捕獲可重用的仿真流程；通過共享和固化這些模板來提高工作效率，并保障系統設計和優化的一致性。

 

 

3. 自動化全仿真流程

 

a. 應用SIMULIA - Process Composer這類仿真軟件來集成應用、規則和數據：一套流程，多個備選方案，針對所有應用場景，自動化評估所有運行和非正常工況下的各種設計方案。多專業驗證：通過多專業仿真工具對系統進行360度評估：機電、工藝、成本、風險、可施工性、可靠性等。

 

b. 通過權衡分析支持決策：利用嵌入式智能（Embedded Intelligence）、內存分析（In-Memory Analytics）和交互式可視化來實現多標準選擇（Multi-criteria Selection）；使用顯性、透明的多目標偏好算法和注釋筆記來評估跨專業的設計備選方案來支持設計決策。

 

 

4. 仿真驅動的設計

 

a.從CAD設計生成仿真模型，并提取實踐：創建和共享已驗證的材料屬性；基于規則的網格工具；應用設計模板創建和重用組合的有限元特征（FEM feature）。

 

b.仿真驅動設計（Simulation-Driven Engineering）：一套數據集、多個應用，來研究同一物體多個“面”關聯的所有專業；基于模型的工程設計（Model-based engineering），隨著設計的不斷迭代完善，仿真中的細節層次也在不斷發展；應用知識工程生成流程模板。

 

 

 

04/HOW – 怎么做

 

1. 流體仿真分析

 

當系統工藝流程與液體和/或氣體關聯時，用于研究流體流動效率、混合不良或不均勻加熱等工況，來更好理解工藝流程和熱性能，并降低設備損壞和風險事件的概率，同時通過數字化仿真避免開發昂貴的原型設備。

 

可實現的仿真分析包括：

 

50. 流體動力學分析
    50. 流量優化（壓降、混合、循環區域）
    50. 腐蝕、氣蝕

 

50. 傳熱分析
    50. 熱交換器性能分析
    50. 加熱和冷卻分析

 

50. 多相流體仿真
    50. 混合、騰涌

 

50. 空氣動力學分析
    50. 暖通空調分析
    50. 建筑物和構筑物風荷載

 

 

2. 結構仿真分析

 

預測由固定或移動荷載（重量）、環境荷載（風、地震、雪）或特殊事件（爆炸、洪水）引起的結構變形和應力以及內部荷載，用于保障運行期間或特殊事件發生時的結構完整性，實現穩健的詳細設計的同時盡量節省原材料。

 

可實現的仿真分析包括：

 

50. 線性或非線性計算
50. 靜態、動態、屈曲計算
50. 梁、殼、實體組件計算
50. 從線性彈性到塑性計算，以及損傷模型
50. 土壤結構相互作用
50. 螺栓擰緊詳細分析

 

 

3. 管道應力分析

 

基于管道的溫度及壓力波動、自身重量、環境載荷（風、地震）、振動和螺栓緊固等產生的需求規格，通過仿真計算管道的應力和設備上的載荷。

 

可實現的仿真分析包括：

 

50. 應力計算

 

1. 50. 塑性變形
   50. 塑性失穩或破損
   50. HSLC-高應變低周疲勞
   50. 膜應力及彎曲應力

 

50. 荷載計算

 

1. 50. 持續荷載（正常設備運行-壓力、重量、振動）
   50. 偶然荷載（地震、風、流體瞬變）
   50. 膨脹荷載（熱膨脹和收縮、地震移動和建筑沉降）

 

 

50. 管路支架計算：

 

1. 50.  重量荷載應力
   50.  熱膨脹或收縮應力
   50. 動態載荷應力

 

 

4. 流體彌散分析

 

通過提前仿真潛在的災害場景來制定應對風險的預案：

 

50. 預測潛在的環境影響
50. 保障設計符合法律、規格要求
50. 定義安全操作程序
50. 以直觀的3D作為宣傳手段與公眾溝通

 

 

5. FFS（Fitness-for-Service 適用性評估）

 

通過仿真分析來評估部件或組件的結構完整性，用于預測缺陷或損傷，進而確定調試方案：按現狀運行、維修、重新評估、或確定更換。價值體現為提高生產、避免不必要停堆、維持電廠完整性。

 

 

6. 系統安全性與可靠性分析

 

對于系統安全性與可靠性需要初步風險評估（PRA-Preliminary Risk Assessment）來定義系統的不良影響；失效模式與影響分析（FMEA-Failure Modes & Effects Analysis）來定義失效模式，分析每種失效模式的根本原因；故障樹分析（FTA-Fault Tree Analysis）通過計算原因的發生率來估算系統故障發生的概率，并計算出割集列表。

 

 

7. 虛擬調試

 

應用CATIA – ControlBuild定義虛擬儀控系統用于仿真工況性能和故障，以及操作員培訓，包括：軟件和自動化、機械、電氣、電子、氣動、熱工、水力、流體等系統。