Was eine 1000-mal schnellere Simulation für digitale Zwillinge bedeutet

Vor etwa einem Jahrzehnt entdeckten MIT-Forscher eine Technik, die die physikalische Modellierung um das Tausendfache beschleunigt. Sie haben daraus ein neues Unternehmen namens Akselos ausgegliedert, das Unternehmen dabei unterstützt, die Technologie in verschiedene Formen zu integrieren digitale Zwillinge Wird zur Verbesserung der Schifffahrt, der Raffinerie und der Windkrafterzeugung eingesetzt.

Ein digitaler Zwilling ist eine virtuelle Darstellung eines Objekts oder Systems, die sich über dessen Lebenszyklus erstreckt, aus Echtzeitdaten aktualisiert wird und Simulation, maschinelles Lernen und Argumentation zur Unterstützung der Entscheidungsfindung nutzt. Angeschlossene Sensoren an der physischen Anlage sammeln Daten, die auf das virtuelle Modell abgebildet werden können.

Die spezifische Innovation verbessert die Leistung von Finite-Elemente-Analyse-Algorithmen (FEA), die den meisten Arten physikalischer Simulationen zugrunde liegen. Die Erfahrung von Akselos im letzten Jahrzehnt kann Führungskräften dabei helfen, die Auswirkungen des zu erforschen Millionenfache Verbesserungen in der Physiksimulation, die Nvidia jetzt dank Verbesserungen bei Hardware, Skalierbarkeit und neuen Algorithmen demonstriert.

VentureBeat hat sich mit Thomas Leurent, CEO von Akselos, getroffen, um zu erklären, was diese umfassenderen Verbesserungen für die gesamte Branche bedeuten könnten. Auf hoher Ebene erleichtert eine schnellere Simulation den Vergleich von Design-Kompromissen, was zu effizienteren Produkten, geringeren Kosten, höherer Leistung und besseren KI-Algorithmen führt. Zu den praktischen Vorteilen zählen die Reduzierung des Gewichts von Windtürmen um ein Drittel und die Verbesserung der Sicherheit von Ölschiffen.

Die Rolle der Simulation in der digitalen Transformation

Digitale Zwillinge ähneln eher einem Designmuster als einer Technologie. Unternehmen fügen die verschiedenen Teile zu einer Lösung zusammen, genau wie beim Aufbau einer Datenpipeline. Verschiedene PLM-, Bausoftware- und branchenspezifische Anbieter bauen Portfolios auf, um ein breiteres Spektrum an digitalen Zwillingsfunktionen, einschließlich physischer Simulation, zu unterstützen. Eine schnellere Simulations-Engine ermöglicht es Unternehmen, neue Wege zu erkunden, um Simulationen in die Ideenfindung, das Design, die Beschaffung und die Phasen der Entwicklung besserer Produkte einzubinden und die digitale Transformation voranzutreiben.

Akselos ist eine erstklassige Simulationsplattform zur Verbesserung der Finite-Elemente-Analyse, einer entscheidenden Komponente vieler Arten der physikalischen Stimulation. Akselos hat vor etwa einem Jahrzehnt herausgefunden, wie man die Kernalgorithmen um das Tausendfache beschleunigen kann. Alle anderen SPS- und CAD-Anbieter suchen nach Möglichkeiten, etwas Ähnliches zu tun.

Aber wie genau führt eine 1000-fache Beschleunigung der Simulation zu einem Geschäftswert, da die Simulation nur ein Teil eines größeren geschäftlichen und technischen Prozesses ist? Andere Unternehmen werden wahrscheinlich die Erfahrungen von Akselos nutzen, wenn sie ihre Simulationsinfrastruktur mit einer Kombination aus schnellerer Hardware, besseren Algorithmen oder beidem aufbauen. Die GPUs sind bereits 1000-mal schneller als zu Beginn dieser Forschung, und in Kombination mit selbst geringfügigen Algorithmusverbesserungen werden Unternehmen nach Möglichkeiten suchen, Simulationszyklen kreativ zu „verschwenden“, um auf andere Weise Gewinne zu erzielen.

Akselos-Kunden haben mehrere Möglichkeiten entdeckt, schnellere Simulationen in geschäftlichen Nutzen umzusetzen. Beispielsweise entdeckte Shell Oil einen schnelleren Designprozess für einen speziellen, mehrere Milliarden Dollar teuren Öltanker, der gleichzeitig die Anzahl der Schwachstellen reduzierte. Andere Kunden reduzierten den Materialeinsatz in einer Windkraftanlage um 30 %.

Andere Unternehmen werden wahrscheinlich ähnliche Vorteile erzielen, wenn sie die Art und Weise überdenken, wie eine schnellere Simulation auf ihre Engineering- und Bereitstellungsübergaben für andere physische Dinge wie Fabriken, Autos, medizinische Geräte und mehr angewendet werden kann.

VentureBeat: Wie beurteilen Sie insgesamt die Möglichkeiten, wie Verbesserungen bei Modellierungs- und Simulationstechniken den Einsatz digitaler Zwillinge verbessern könnten?

Thomas Leurent: Digitale Zwillinge für Industrieanlagen können nur dann von Nutzen sein, wenn die Maschinenbau-Simulationstools verwendet werden, die ursprünglich für ihre Konstruktion verwendet wurden – und diese basieren alle auf der Finite-Elemente-Analyse (FEA). Auch die strengsten Standards für den Betrieb stützen sich auf FEA, um kritische Anlagen wie Raffinerien, Schiffe, Bohrinseln usw. zu betreiben. FEA ist jedoch zu langsam, um in der Betriebsphase für digitale Zwillinge eingesetzt zu werden. Daher war ein einmaliges Upgrade erforderlich, um die Kernalgorithmen zu verbessern, damit FEA parametrische und konnektivitätsfähige Anwendungsfälle nahezu in Echtzeit unterstützen kann.

VentureBeat: Was ist das große Problem bei der Finite-Elemente-Analyse auf reduzierter Basis – was ist sie so viel schneller als herkömmliche Modellierungstechniken?

Leurent: FEA ist eigentlich ein sehr alter und ineffizienter Algorithmus. Es verwendet Netze (z. B. Millionen von Dreiecken oder Tetraedern), um die Geometrie eines Teils zu definieren. Das ist in Ordnung. Das Problem besteht darin, dass die FEA jedem Knoten im Netz Freiheitsgrade zuweist, was eigentlich ein völliger Overkill ist. FEA löst letztendlich Probleme in Räumen mit Millionen von Dimensionen, was sehr teuer ist und nicht in Echtzeit durchgeführt werden kann.

RB-FEA, die bahnbrechende Technologie von Akselos, versteht das und sucht danach Prof. A.T. Patera am MIT nennt es „die Mannigfaltigkeit darunter“. Das ist ein Unterraum, viel kleiner als der ursprüngliche FEA-Raum und immer noch groß genug, um zu garantieren, dass sich das Problem in diesem Unterraum verhält.

Wir nennen das auf reduzierter Basis den RB-Raum (selbst dieser RB-Unterraum ist übertrieben, aber 1,000x weniger übertrieben als der ursprüngliche FEA-Raum). Wir lösen das Problem im RB-Unterraum, der 1,000-mal effizienter ist, und dann verfügen wir über alle mathematischen Berechnungen, die wir in den FEA-Raum zurückprojizieren können, an den Ingenieure gewöhnt sind und der von Standards anerkannt wird. Für Ingenieure ist das wirklich transparent – ​​Sie können RB-FEA-Berechnungen blitzschnell ausführen, während sie mit FEA früher langsam waren. In der Praxis bedeutet das alles, dass FEA für die Durchführung von Simulationen auf der Ebene mechanischer Teile geeignet ist, darüber hinaus jedoch an ihre Grenzen stößt. RB-FEA kann Simulationen mit voller Genauigkeit auf Systemebene und bis hinunter zur Ebene mechanischer Teile durchführen, ohne dass Untermodelle erforderlich sind. Das ist ein deutlich verbesserter Arbeitsablauf.

VentureBeat: Wo sehen Simulationsanbieter im Jahr 2021 die größte Neueinführung der Simulationstechnologie für digitale Zwillinge, insbesondere in welchen Branchen und welchen Produkttypen und warum?

Leurent: Die beiden Branchen, die unserer Meinung nach die stärkste Anziehungskraft erzeugen, sind Offshore-Windenergie sowie Öl und Gas. Bei der Offshore-Windenergie gibt es ein enormes Wachstum, da noch über 95 % der Kapazität gebaut werden müssen, um die Netto-Null-Ziele der IEA 2050 zu erreichen. Es besteht ein erheblicher Bedarf an Technologien, die das Risiko sowohl bei der Konstruktion als auch beim Betrieb von Offshore-Windkraftanlagen verringern können. Leistungsstarke technische Simulationen mithilfe digitaler Zwillinge ermöglichen es Entwicklern und Betreibern, Tausende von „Was-wäre-wenn“-Szenarien in einer sicheren Umgebung zu analysieren.

Beim Design haben wir gezeigt, dass wir durch fortgeschrittene Optimierung mit unserem Partner Lamprell bis zu 30 % Investitionskosteneinsparungen beim Fundament ermöglichen können, und es gibt noch weiteres Potenzial. Im operativen Bereich sind wir der einzige Technologieanbieter, der in der Lage ist, den strukturellen Zustand bis auf die Ebene von Quadratzentimetern zu analysieren. Dieser betriebliche digitale Zwilling ist ein absoluter Durchbruch für Betreiber, da er verwertbare Informationen darüber liefert, wie oft sie welche Teile der Struktur inspizieren sollten.

Die Energiewende zwingt große Öl- und Gaskonzerne dazu, wichtige Investitionsentscheidungen neu zu bewerten und treibt den Vorstoß voran, Wege zu finden, um mehr aus bestehenden Anlagen herauszuholen. Dazu ist das Abstecken struktureller digitaler Zwillinge in einer Betriebsumgebung erforderlich. Die hochdetaillierten Modelle der fortschrittlichen technischen Simulation ermöglichen eine sichere und effiziente Möglichkeit, das Verhalten von Vermögenswerten/Geräten zu verstehen und deren Lebensdauer zu verlängern.

VentureBeat: Bei welchen Anwendungsfällen haben Sie erhebliche Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Modellierungs- und Simulationsansätzen gesehen?

Leurent: Wir haben den früher sechsmonatigen Arbeitsablauf für die Analyse der schwimmenden Produktions-, Lager- und Entladetankschiffe (FPSO) von Shell auf weniger als 48 Stunden komprimiert und gleichzeitig die Genauigkeit um das Zehnfache erhöht.

Weitere Anwendungsbeispiele sind die Selbsteinschätzung von Strukturschäden im Flug einer Drohne oder eines Flugzeugs. Und dann natürlich Offshore-Wind. Diese Technologie wird dazu beitragen, die Kosten für Offshore-Windenergie enorm zu senken. Insbesondere schwimmende Offshore-Windkraftanlagen, die nach ihrer Erschließung eine der größten erneuerbaren Energiequellen der Erde darstellen.

VentureBeat: Könnten Sie uns erläutern, wie sich diese Art von Vorteilen in der Praxis zeigen – wie führt beispielsweise ein 1000-facher Fortschritt bei der Modellierungsleistung zu praktischen Vorteilen, etwa der Reduzierung der Materialmenge in einer Windturbinenplattform und der Gesamtkosten?

Leurent: RB-FEA hat dazu geführt, dass einige der größten (und komplexesten) Anlagen der Welt, wie das schwimmende Produktions-, Lager- und Entladeschiff Bonga von Shell, über einen digitalen Zwilling verfügen, der auf der Physik basiert (unter Berücksichtigung von Variablen wie Rumpfermüdung). , Tankbeladung, Wellen) und kompatibel mit Standards. Dies wurde auf der Offshore Technology Conference 2021 mit dem Preis für das beste Papier ausgezeichnet. Und die Produktlinie von Akselos unterstützt den Schutz der Produktion von Öläquivalenten im Wert von 7 Milliarden US-Dollar (pro Jahr).

Ein digitaler Zwilling mit RB-FEA reduziert die Inspektionskosten bei einem FPSO um 30 %. Noch wichtiger ist jedoch, dass Sie bei einer riesigen Anlage an der richtigen Stelle suchen und Mängel frühzeitig erkennen, um größere Probleme zu vermeiden. Beim Bonga FPSO hat der Vorteil der erhöhten Genauigkeit dazu geführt, dass 15,000 erstklassige Ermüdungsstellen an den kritischsten Stellen auf 230 echte Ermüdungs-Hotspots reduziert wurden. Das ist für den Betreiber von enormem Wert, da er nun über umsetzbare Informationen verfügt, um Inspektions- und Wartungsaktivitäten dort durchzuführen, wo es am wichtigsten ist.

Die Vorteile von Offshore-Windkraftanlagen haben das gleiche Potenzial, wenn nicht sogar noch mehr. Auf der Designseite haben wir beispielsweise mit Lamprell zusammengearbeitet, um den Stahlanteil in Offshore-Windfundamenten um bis zu 30 % zu reduzieren. Dies hat nicht nur direkte Vorteile durch niedrigere Materialkosten, sondern es gibt auch sehr erhebliche Folgeeffekte, wenn man den Schweißaufwand für den Zusammenbau des Fundaments und den Transport berücksichtigt.

Wenn ein optimiertes Design im Betrieb zum Leben erweckt wird, was für Windparks von entscheidender Bedeutung ist, führt dies zu einer 1000-fachen Geschwindigkeitssteigerung. Dies bedeutet, dass ein Bediener fundierte Entscheidungen darüber treffen kann, wann Wartungsarbeiten durchgeführt werden müssen und wie das Betriebsfenster der Turbine angepasst werden kann, um Fundamentversagen zu vermeiden, wenn die nächste Wartungsmöglichkeit einige Zeit entfernt liegt.

Bei schwimmenden Offshore-Windenergieanlagen, bei denen das Fundament und die Turbine einer dynamischeren Belastung ausgesetzt sind, werden die Vorteile noch verstärkt. Diese Arten von Gewinnen werden entscheidend für die Senkung der Stromgestehungskosten (LCOE), dem treibenden Faktor im schwebenden Wind, sein. Damit die Welt den IEA-Fahrplan einhalten kann, sind solche Fortschritte eine absolute Notwendigkeit.

VentureBeat: Wie erwarten Sie, dass sich der Einsatz und die Fähigkeiten besserer Simulationstechniken wie RB-FEA und verwandter Ansätze in naher Zukunft weiterentwickeln, insbesondere im Hinblick auf die Verbesserung von Arbeitsabläufen im Zusammenhang mit digitalen Zwillingen?

Leurent: Das Verständnis der strukturellen Integrität eines Vermögenswerts in Echtzeit ist von entscheidender Bedeutung für:

• Optimale Abläufe
• Verlängerung der Lebensdauer von Vermögenswerten
• In-Operation Design (Entwurf der nächsten Generation von Anlagen auf Basis der aus dem digitalen Zwilling generierten Daten)

Heute werden die digitalen Zwillinge von Akselos weltweit für Vermögenswerte im Wert von mehreren Milliarden Dollar eingesetzt. Dabei geht es um komplexe (und in den meisten Fällen veraltete) alte Öl- und Gasanlagen bis hin zu hochmodernen Demonstrationsprototypen im schwebenden Wind.

Wir arbeiten daran, die Software immer Echtzeiter zu machen. In einigen Fällen interpretieren unsere physikbasierten digitalen Zwillinge jede Sekunde neue Daten. Diese Geschwindigkeit ermöglicht auch die Kombination von KI/ML mit physikbasierten Simulationen, ein Game-Changer mit großem Potenzial. Dafür haben wir den AIAA Best Paper Award 2020 für multidisziplinäre Designoptimierung erhalten. Hier liefert RB-FEA einen viel umfangreicheren, günstigeren und genaueren Datensatz.

Das Team arbeitet auch daran, immer mehr Physik zu erfassen (z. B. Multiphysik und Nichtlinearität). Und wir arbeiten an sehr leistungsstarken Funktionen von RB-FEA für ein optimales Design, einschließlich der Möglichkeit, ein gesamtes Windturbinensystem auf der Grundlage von Materialverbesserungen oder neuen Designideen innerhalb weniger Wochen neu zu konstruieren.

VentureBeat: Was sind Ihre wichtigsten Erkenntnisse für andere Unternehmen, die möglicherweise nach Möglichkeiten suchen, Simulationsverbesserungen aufgrund allgemeiner Branchentrends zu nutzen? 

Leurent: Das Wichtigste ist wahrscheinlich, die Vorstellungskraft dessen voranzutreiben, was möglich ist. In einer zunehmend sensorisierten und robotisierten Welt wird die Simulationstechnologie zu einem immer leistungsfähigeren Werkzeug zur Generierung von Wettbewerbsvorteilen. Beispielsweise könnten wir damit beginnen, Windparks einzeln zu betreiben und zu optimieren. Daten von Inspektionsdrohnen und Sensoren an den Turbinen könnten dabei helfen, den Gesundheitszustand jeder Turbine zu beurteilen und es den Betreibern ermöglichen, fundierte Entscheidungen darüber zu treffen, wie stark sie jede Turbine je nach Strompreis betreiben sollten (es macht keinen Sinn, eine Turbine mit hoher Geschwindigkeit zu betreiben, wenn das kostet). mehr „Lebensverbrauch“ als die damit erzielten Einnahmen).

Im Downstream-Bereich der Öl- und Gasindustrie führen wir Analysen nahezu in Echtzeit durch, um unseren Kunden dabei zu helfen, den kritischen Pfad zu verkürzen und die Betriebszeit zu erhöhen. Ohne Simulationstechnologie wäre dies nicht möglich.

Letztendlich denke ich, dass es für Sie als Eigentümer von Vermögenswerten von entscheidender Bedeutung sein wird, darüber nachzudenken, wie verschiedene Datenquellen und Tools miteinander kombiniert werden können Simulationstechnik um bessere Geschäftsergebnisse zu erzielen. Daran hatten sie nicht gedacht, da die Simulationsleistung für den Einsatz in nahezu Echtzeit-Betriebsumgebungen nicht leistungsstark genug war, aber das hat sich nun dramatisch geändert.

Quelle: https://venturebeat.com/2022/01/05/what-1000-x-faster-simulation-means-for-digital-twins/