Joseph Strauss, Leon Moisseiff 그리고 Charles Alton Ellis가 1917년 샌프란시스코의 금문교를 설계했을 때 엔지니어들은 이것이 세계적으로 유명한 다리가 될 것이라는 것을 알았다. 1937년에 개통되면서 금문교는 세계에서 가장 길고 가장 높은 현수교로 알려졌다. 설계자들은 다른 엔지니어가 언젠가 다리의 Digital Twin을 만들 것이라고 상상할 수 없었으나 Ozen Engineering의 엔지니어가 Ansys 소프트웨어의 도움을 받아 성공해냈다.
Ozen Engineering은 Ansys가 인증한 엘리트 채널 파트너다. Ozen은 Ansys Twin Builder에서 ROM(감소 차수 모델링)을 사용하는 방법에 대한 데모를 만들고 싶어했으며 마침 금문교는 회사의 캘리포니아 서니 베일 본사에서 북쪽으로 50마일 이내에 있었다.
Ozen Engineering의 부사장 Chris Cowan은 “우리는 사람들이 쉽게 인식하고 이해할 수 있는 것을 원했다. 금문교는 세계에서 가장 많이 촬영된 다리 중 한 개이며 모든 사람들은 그것이 어떻게 생겼는지 알고 있다.”라고 언급했다.
금문교의 Digital Twin을 만드는 5개의 단계
상징적인 다리의 디지털 버전을 생성할 때나 다른 구조 또는 시스템의 디지털 버전을 생성할 때나 Ansys Digital Twin 워크플로우는 동일하다. 메쉬와 해결를 위해 깨끗한 기하학적 구조가 필요하며 그런 다음 감소 차수 모델(ROM)을 만들고 Twin Builder을 통해 해당 ROM을 분석한다.
1. 기하학적 구조
Ozen의 첫 번째 도전은 다리와 주변 경관의 기하학적 구조를 만드는 것이었다. Ozen은 GrabCAD 커뮤니티의 개방된 기하구조와 Topographic STL maker ACT라는 Ansys ACT 도구를 통해 얻은 해당 지역의 지형 기하학을 병합했다. ACT는 XML 및 IronPython 프로그래밍 언어를 사용하는 편리하고 쉬운 개발 환경으로, 비전문가 사용자가 고급 워크플로우용 맞춤형 앱을 만들 수 있게 한다.
“문제의 일부는 시뮬레이션에 적합하지 않은 기하학 구조였다.”라고 Cowan은 말하며 “정리 작업은 Ansys SpaceClaim 3D 모델러의 일이었고 잘 작동했다.”라고 덧붙였다.”
2. 메슁
Digital Twin을 만드는 방법을 시연하는 것 외에도 Ozen Engineering은 다양한 유형의 메쉬를 일반 다면체 요소와 자동으로 연결하는 Ansys의 Mosaic Meshing 기술을 선보이고 싶었다. Ansys Fluent의 새로운 Poly-Hexcore 기능은 위 기술을 사용하여 큰 규모의 영역을 86면체로 채우고, 경계층에서 고품질의 층을 이룬 다원적 메쉬를 유지하며, 두 메쉬를 일반 다면체 요소와 공형 적으로 연결하게 한다.
Cowan은 “다리의 크기는 시뮬레이션에서 모든 다른 스케일을 캡처하기 위해 복잡한 메쉬를 필요로 한다. Ansys Fluent 메쉬 덕분에 간단하고 효율적으로 작업할 수 있었다.”라고 언급했다.
3. 해결
“CFD(Computational Fluid Dynamics)는 본질적으로 비선형 문제이며 단순한 층 문제 또는 더 복잡한 격변의 문제로 해결하면 복잡해질 가능성이 있다.”라고 Elghandour는 말하며 “우리가 사용하고 있는 모델에는 메슁의 최신 기술 중 하나인 다면체 헥스코어 메쉬가 있다.”고 덧붙였다.
Poly-Hexcore 메쉬 해결의 정확성과 속도를 보여주기 위해 Ozen은 소용돌이 모델(K-Epsilon, 실현 가능)을 해결하기로 했다.
4. Digital Twin을 위한 ROM 구축
ROM을 설정하는 기능은 Fluent에 내장되어 있으며 설계를 탐색, 이해 및 최적화하기 위한 통합 Ansys Workbench 애플리케이션인 Ansys DesignXplorer에서 생성할 수 있다. Ozen Engineering은 최대 풍속 범위와 여러 풍향 구성 요소를 설정한 다음 ROM을 채우고 구축하기위한 연구를 만들었다.
바람 벡터를 기반으로 한 DOE(Design of Experiments) 연구를 사용하여 Twin Builder용 기능 모형(FMU)을 만들었다. “우리는 일반적인 속도 조건의 최소 및 최대 범위와 함께 풍향을 연구했다.”라고 Elghandour는 언급했다.
5. Twin Builder를 통한 ROM 구현
시뮬레이션이 완료된 후 Ozen 엔지니어는 Twin Builder에서 사용할 ROM 파일을 추출하여 다른 조건이 적용될 때의 결과를 예측했다.
Ozen Engineering은 Python 스크립트를 사용하여 HTTP를 통해 National Oceanic and Atmospheric Administration 사이트에 연결해 실시간 업데이트 되는 풍속 및 방향 데이터를 얻도록 Twin Builder에서 데이터 커넥터를 만들었다. 이 데이터는 ROM을 통해 평가되는 Twin Builder 프로젝트에 연결된다.
데이터는 차트 형식으로 표시되며 ROM 뷰어는 다양한 시간의 결과 데이터를 시각적으로 표시한다. 라이브 데이터는 15초마다 전송되지만 웹 사이트 데이터 포인트는 5분마다 업데이트되므로 5분마다 변경된다.
Cowan은 “Ozen Engineering 팀은 실시간 시뮬레이션이 예측 유지 관리 및 운영 계획에 미치는 힘을 인식하고 있다. 우리는 다양한 기능을 보여주기 위해 물리적 프로토타입 하드웨어와 결합된 다중 물리 Digital Twin을 계속 개발하고 있다.”고 말했다.
이 프로젝트들은 휴대가 가능하며 이해하기 쉽고 소형 장비를 사용하여 쉽게 검증할 수 있도록 고안되었다. 프로토타입 인벤토리에는 아래 사항들이 포함된다.
– 양력판의 리프트를 예측하는 풍동 유체 역학 응용 프로그램
– 구동 전류의 기능의 변형, 전위 및 줄 가열 온도를 예측하는 두 가지 금속으로 된 스트립 열 전기 구조 애플리케이션
– 자기장 분포를 예측하는 자기 유도 코일 애플리케이션
Ozen Engineering은 또한 미국 정부가 지원하는 연구 보조금을 통해 무인 항공기(UAV) 부품의 예측 유지 보수를 위한 고급 Digital Twin 모델을 구축하고 있다.
출처 : Ansys How to Create a Digital Twin
