Mitä 1000-kertainen nopeampi simulointi tarkoittaa digitaalisille kaksosille

Noin vuosikymmen sitten MIT:n tutkijat löysivät tekniikan, joka nopeuttaa fysiikan mallintamista 1000 kertaa. He kehittivät tämän uudeksi yritykseksi nimeltä Akselos, joka on auttanut yrityksiä yhdistämään teknologian erilaisiin digitaaliset kaksoset käytetään parantamaan merenkulkua, jalostusta ja tuulivoiman tuotantoa.

Digitaalinen kaksos on virtuaalinen esitys objektista tai järjestelmästä, joka kattaa sen elinkaaren, päivitetään reaaliaikaisista tiedoista ja käyttää simulaatiota, koneoppimista ja päättelyä päätöksenteon apuna. Fyysiseen omaisuuteen yhdistetyt anturit keräävät dataa, joka voidaan kartoittaa virtuaalimalliin.

Erityinen innovaatio parantaa äärelliselementtianalyysin (FEA) algoritmien suorituskykyä, jotka tukevat useimpia fysiikan simulaatiotyyppejä. Akseloksen kokemus viimeisen vuosikymmenen ajalta voi auttaa johtajia tutkimaan sen vaikutuksia miljoonankertaiset parannukset fysiikan simulaatiossa, jota Nvidia nyt demonstroi laitteiston, skaalautuvuuden ja uusien algoritmien parannuksien ansiosta.

VentureBeat tapasi Akseloksen toimitusjohtajan Thomas Leurentin selittääkseen, mitä nämä laajemmat parannukset voisivat tarkoittaa koko toimialalle. Korkealla tasolla nopeampi simulointi helpottaa suunnittelun kompromissien vertailua, mikä johtaa tehokkaampiin tuotteisiin, alhaisempiin kustannuksiin, parempaan suorituskykyyn ja parempiin tekoälyalgoritmeihin. Käytännön etuja ovat olleet tuulitornien painon trimmaus kolmanneksella ja öljy-alusten turvallisuuden parantaminen.

Simuloinnin rooli digitaalisessa transformaatiossa

Digitaaliset kaksoset ovat enemmän kuin suunnittelukuvio kuin tekniikka. Yritykset kokoavat eri osat ratkaisuksi, aivan kuten tietoputkia rakentaessaan. Useat PLM-, rakennusohjelmistot ja toimialakohtaiset toimittajat rakentavat portfolioita tukeakseen laajempaa valikoimaa digitaalisten kaksosten ominaisuuksia, mukaan lukien fyysinen simulointi. Nopeamman simulointimoottorin avulla yritykset voivat tutkia uusia tapoja lisätä simulaatioita ideoihin, suunnitteluun, hankintaan, parempien tuotteiden suunnitteluvaiheisiin ja digitaaliseen transformaatioon.

Akselos on luokkansa paras simulointialusta, joka on suunniteltu parantamaan elementtianalyysiä, joka on olennainen osa monenlaisia ​​fyysisiä stimulaatioita. Akselos keksi kuinka nopeuttaa ydinalgoritmeja noin 1000-kertaisesti noin vuosikymmen sitten. Kaikki muut PLC- ja CAD-toimittajat tutkivat tapoja tehdä jotain vastaavaa.

Mutta kuinka tarkkaan ottaen 1000-kertainen simulaation nopeus muuttuu liikearvoksi, koska simulointi on vain osa suurempaa liiketoiminta- ja teknistä prosessia? Muut yritykset todennäköisesti hyödyntävät Akseloksen kokemuksia rakentaessaan simulaatioinfrastruktuuriaan käyttämällä jotakin nopeamman laitteiston, parempien algoritmien tai molempien yhdistelmää. Grafiikkasuorittimet ovat jo 1000 kertaa nopeampia kuin ne olivat tämän tutkimuksen alkaessa, ja yhdistettynä jopa marginaalisiin algoritmiparannuksiin yritykset aikovat etsiä tapoja luovasti "hukata" simulaatiosyklejä nähdäkseen hyödyt muilla tavoilla.

Akseloksen asiakkaat ovat löytäneet useita tapoja muuttaa nopeammat simulaatiot liikearvoksi. Esimerkiksi Shell öljy löysi nopeamman suunnitteluprosessin erikoistuneelle usean miljardin dollarin öljytankkerille, mikä vähensi samalla heikkojen kohtien määrää. Muut asiakkaat vähensivät tuuliturbiinin materiaalia 30 %.

Muut yritykset näkevät todennäköisesti samankaltaisia ​​hyötyjä, kun ne harkitsevat uudelleen tapaa, jolla nopeampaa simulointia voidaan soveltaa suunnittelu- ja käyttöönottohankkeisiinsa muiden fyysisten asioiden, kuten tehtaiden, autojen, lääketieteellisten laitteiden ja muiden osalta.

VentureBeat: Mikä on yleisnäkemyksesi joistakin tavoista, joilla mallinnus- ja simulointitekniikoiden parannukset voisivat parantaa digitaalisten kaksosten käyttöä?

Thomas Leurent: Teollisuusomaisuuden digitaaliset kaksoset voivat hyötyä vain niiden suunnittelussa käytettyjen koneenrakennuksen simulointityökalujen käytöstä – ja ne kaikki perustuvat finite element -analyysiin (FEA). Myös tiukimmat toiminnan standardit perustuvat FEA:han kriittisten omaisuuserien, kuten jalostamoiden, laivojen, öljynporauslautojen jne., käyttämiseksi. FEA on kuitenkin liian hidas käytettäväksi digitaalisissa kaksosissa toimintavaiheessa. Siksi tarvittiin kerran sukupolvessa päivitys ydinalgoritmien tehostamiseksi, jotta FEA voisi tukea lähes reaaliaikaisia, parametrisia ja liitettävyyttä sisältäviä käyttötapauksia.

VentureBeat: Mitä suurta on pelkistetyssä peruselementtianalyysissä – mikä se on niin paljon nopeampaa kuin perinteiset mallinnustekniikat?

Leurent: FEA on itse asiassa hyvin vanha ja tehoton algoritmi. Se käyttää verkkoja (esim. miljoonia kolmioita tai tetraedreita) osan geometrian määrittelemiseen. Se on hyvä. Ongelmana on, että FEA määrittää vapausasteita jokaiselle verkon solmulle, ja se on itse asiassa täydellistä ylilyöntiä. FEA päätyy ratkaisemaan ongelmia miljoonien ulottuvuuksien tiloissa, mikä on erittäin kallista eikä sitä voida tehdä reaaliajassa.

RB-FEA, Akselosin uraauurtava tekniikka, ymmärtää tämän ja etsii mitä Professori AT Patera MIT:ssä kutsuu "alla olevaa monistoa". Se on aliavaruus, paljon pienempi kuin alkuperäinen FEA-avaruus, ja silti tarpeeksi suuri takaamaan, että ongelma käyttäytyy kyseisessä aliavaruudessa.

Kutsumme sitä RB-avaruudeksi supistetun perusteella (jopa tuo RB-aliavaruus on ylilyönti, mutta se on 1,000 1,000 kertaa vähemmän ylilyöntiä kuin alkuperäinen FEA-avaruus). Ratkaisemme ongelman RB-aliavaruudessa, joka on XNUMXx tehokkaampi, ja sitten meillä on kaikki matematiikka projisoitavaksi takaisin FEA-tilaan, johon insinöörit ovat tottuneet ja jonka standardit tunnistavat. Insinööreille se on todella läpinäkyvää – saat vain RB-FEA-laskelmat käymään salamannopeasti, kun ne olivat aiemmin hitaita FEA:n kanssa. Käytännössä tämä kaikki tarkoittaa, että FEA soveltuu ajamaan simulaatioita mekaanisen osan tasolla, mutta se osuu seinään sen yli. RB-FEA voi suorittaa täyden tarkkuuden simulaatioita järjestelmätasolla ja aina mekaanisten osien tasolla ilman alamalleja. Se on huomattavasti paranneltu työnkulku.

VentureBeat: Missä simulaatioiden tarjoajat näkevät vuonna 2021 suurimman uuden digitaalisten kaksosten simulointiteknologian käyttöönoton, erityisesti millä aloilla ja minkä tyyppisissä tuotteissa ja miksi?

Leurent: Näemme kaksi voimakkaimman vetovoiman tuottavan teollisuudenalaa, joita ovat merituuli sekä öljy ja kaasu. Merituulivoimalla on valtava kasvu, sillä yli 95 % kapasiteetista on vielä rakentamatta IEA 2050 -nollatavoitteiden saavuttamiseksi. Teknologialle, joka voi vaarantaa sekä offshore-tuulirakenteiden suunnittelun että toiminnan, on kysyntää. Tehokas tekninen simulointi digitaalisten kaksosten avulla antaa kehittäjille ja operaattoreille mahdollisuuden analysoida tuhansia "mitä jos" -skenaarioita turvallisessa ympäristössä.

Suunnittelussa olemme osoittaneet, että voimme mahdollistaa jopa 30 %:n investointisäästöt perustassa edistyneen optimoinnin avulla kumppanimme Lamprellin kanssa, ja potentiaalia on enemmän. Toiminnassa olemme ainoa teknologiatoimittaja, joka pystyy analysoimaan rakenteiden terveyttä neliösenttimetritasolle asti. Tämä toiminnallinen digitaalinen kaksoispari on ehdoton läpimurto käyttäjille, sillä se tarjoaa käytännöllistä tietoa siitä, kuinka usein heidän tulee tarkastaa mitkä rakenteen osat.

Energiasiirtymä tekee suurista öljy- ja kaasunsiirtopäätöksistä suuria uudelleenarviointeja ja pyrkii löytämään tapoja saada enemmän irti olemassa olevasta omaisuudesta. Tämä edellyttää rakenteellisten digitaalisten kaksosten sijoittamista toimintaympäristöön. Edistyneen teknisen simulaation tuomat erittäin yksityiskohtaiset mallit mahdollistavat turvallisen ja tehokkaan tavan ymmärtää omaisuuden/laitteiston käyttäytymistä ja pidentää sen käyttöikää.

VentureBeat: Mitkä ovat sellaisia ​​käyttötapauksia, joissa olet nähnyt merkittäviä etuja verrattuna perinteisiin mallinnus- ja simulointimenetelmiin?

Leurent: Olemme tiivistäneet aiemmin kuuden kuukauden työnkulun Shellin kelluvien tuotannon varastointi- ja purkusäiliöalusten (FPSO) analysointiin alle 48 tuntiin, samalla kun tarkkuutta on lisätty 10-kertaiseksi.

Muita esimerkkejä käyttötapauksista ovat rakenteellisten vaurioiden itsearviointi droonilla tai lentokoneella lennon aikana. Ja sitten tietysti merituuli. Tämä tekniikka auttaa vähentämään merituulen kustannuksia valtavasti. Erityisesti kelluva merituuli, joka on yksi suurimmista uusiutuvan energian lähteistä maapallolla, kun se avataan.

VentureBeat: Voisitteko opastaa meidät läpi, kuinka tällaiset edut näkyvät käytännössä – esimerkiksi kuinka 1000X mallinnussuorituskyky kehittyy käytännön hyödyksi, kuten tuuliturbiinin alustan materiaalimäärän ja sen kokonaiskustannusten vähentämiseen?

Leurent: RB-FEA on johtanut joihinkin planeetan suurimmista (ja monimutkaisimmista) resursseista, kuten Shellin kelluvasta tuotanto-, varastointi- ja purkualuksesta Bonga, jolla on digitaalinen kaksoiskappale, joka perustuu fysiikkaan (joka ottaa huomioon muuttujat, kuten rungon väsymisen). , säiliön lataus, aallot) ja yhteensopiva standardien kanssa. Tämä ansaitsi parhaan paperin palkinnon Offshore Technology Conference 2021 -konferenssissa. Akseloksen tuotelinja tukee 7 miljardin dollarin (vuosittaisen) öljyekvivalenttituotannon suojaamista.

Digitaalinen kaksoiskappale RB-FEA:lla 30 % alentaa FPSO:n tarkastuskustannuksia, mutta mikä vielä tärkeämpää, katso valtavan omaisuuden oikeasta paikasta ja havaita viat ajoissa suurten ongelmien välttämiseksi. Bonga FPSO:ssa lisääntyneen tarkkuuden etu on johtanut siihen, että 15,000 230 huipputason väsymispaikkaa on vähentynyt XNUMX todelliseen väsymispisteeseen kriittisimmissä paikoissa. Tällä on valtavasti arvoa kuljettajalle, sillä heillä on nyt käyttökelpoista tietoa tarkastus- ja huoltotoimien ohjaamiseksi siellä, missä se on tärkeintä.

Merituulen hyödyillä on yhtä suuri, ellei enemmänkin potentiaali. Esimerkiksi suunnittelupuolella olemme työskennelleet Lamprellin kanssa vähentääksemme teräksen määrää offshore-tuuliperustuksissa jopa 30 %. Tästä ei ole vain suoria etuja alhaisempien materiaalikustannusten kautta, vaan sillä on myös erittäin merkittäviä sivuvaikutuksia, kun otetaan huomioon perustuksen kokoamiseen tarvittava hitsausmäärä sekä kuljetus.

Kun optimoitu suunnittelu herätetään henkiin toiminnassa, ja mikä on ratkaisevan tärkeää tuulipuistojen kannalta, vaikutus on 1000-kertainen nopeus. Se tarkoittaa, että käyttäjä voi tehdä tietoon perustuvia päätöksiä huollon suorittamisesta ja turbiinin käyttöikkunan säätämisestä perustusten rikkoutumisen välttämiseksi, jos seuraava huoltomahdollisuus on jonkin ajan kuluttua.

Edut lisääntyvät edelleen kelluvassa merituulessa, jossa perustuksen ja turbiinin kuormitus on dynaamisempi. Tämän tyyppiset hyödyt ovat kriittisiä alettaessa energian tasokustannuksia (LCOE), kelluvan tuulen ajoastetta. Jotta maailma voisi täyttää IEA:n tiekartan, tällaiset edut ovat ehdottoman välttämättömiä.

VentureBeat: Miten odotat parempien simulointitekniikoiden, kuten RB-FEA:n ja niihin liittyvien lähestymistapojen käytön ja kykyjen kehittyvän lähitulevaisuudessa, erityisesti kun se liittyy digitaalisiin kaksoistyönkulkuihin?

Leurent: Omaisuuden rakenteellisen eheyden ymmärtäminen reaaliajassa muuttaa pelin:

• Optimaaliset toiminnot
• Omaisuuden käyttöiän pidentäminen
• Käytössä oleva suunnittelu (seuraavan sukupolven omaisuuden suunnittelu digitaalisesta kaksosesta luotujen tietojen perusteella)

Nykyään Akselos-digitaalisia kaksosia käytetään maailmanlaajuisesti miljardien dollarien arvosta. Tämä yhdistää monimutkaiset (ja useimmiten vanhenevat), vanhat öljy- ja kaasuvarat huippuluokan demonstraatioprototyyppeihin kelluvassa tuulessa.

Pyrimme tekemään ohjelmistosta entistä reaaliaikaisemman, joissakin tapauksissa fysiikkaan perustuvat digitaaliset kaksosemme tulkitsevat uutta dataa joka sekunti. Tämä nopeus mahdollistaa myös AI/ML:n yhdistämisen fysiikkapohjaisiin simulaatioihin, mikä on valtava potentiaalinen pelinmuutos. Siitä saimme AIAA parhaan paperin palkinnon 2020 monialaisesta suunnittelun optimoinnista. Tässä RB-FEA tarjoaa paljon rikkaamman, halvemman ja tarkemman tietojoukon.

Tiimi pyrkii myös vangitsemaan yhä enemmän fysiikkaa (esimerkiksi monifysiikkaa ja epälineaarista). Ja työskentelemme RB-FEA:n erittäin tehokkaiden ominaisuuksien parissa optimaalista suunnittelua varten, mukaan lukien mahdollisuus suunnitella uudelleen koko tuuliturbiinijärjestelmä materiaalipäivitysten tai uusien suunnitteluideoiden perusteella viikkojen sisällä.

VentureBeat: Mitkä ovat tärkeimmät huomiosi muille yrityksille, jotka saattavat tutkia tapoja hyödyntää simulaatioparannuksia alan yleisten trendien ansiosta? 

Leurent: Luultavasti tärkein yksittäinen asia on ajaa mielikuvitusta siitä, mikä on mahdollista. Yhä enemmän sensoroituneessa ja robotisoituneessa maailmassa simulaatioteknologiasta on tulossa yhä tehokkaampi työkalu kilpailuedun luomiseen. Voisimme esimerkiksi alkaa pyörittää ja optimoida tuulipuistoja turbiinikohtaisesti. Tarkastusdrooneista ja turbiinien antureista saadut tiedot voivat auttaa tekemään kunkin turbiinin terveysarvioita ja antavat käyttäjille mahdollisuuden tehdä tietoon perustuvia päätöksiä siitä, kuinka kovaa kutakin turbiinia tulisi käyttää sähkön hinnasta riippuen (turbiinia ei kannata käyttää suurella nopeudella, jos se maksaa enemmän "elämän kulutusta" kuin sen tuottamat tulot).

Öljyn ja kaasun loppupäässä teemme lähes reaaliaikaisia ​​analyyseja auttaaksemme asiakkaitamme vähentämään aikaa kriittiseltä tieltä ja lisäämään käytettävyyttä. Ilman simulointitekniikkaa tämä ei olisi mahdollista.

Viime kädessä, jos olet omaisuuden omistaja, mielestäni on tärkeää pohtia, kuinka erilaisia ​​tietolähteitä ja työkaluja voidaan yhdistää simulointitekniikka parempien liiketulosten saavuttamiseksi. Tämä ei ole ollut heidän mielessään, koska simulointiteho ei ollut tarpeeksi tehokas käytettäväksi lähes reaaliaikaisissa toiminta-asetuksissa, mutta tilanne on nyt muuttunut dramaattisesti.

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