用于生成技术结构的数字代表的计算机辅助方法和装置以及相应的计算机程序产品与流程

1.本发明涉及一种用于生成技术结构的数字代表的计算机辅助方法和装置以及相应的计算机程序产品。


背景技术：

2.计算机辅助方法，例如基于有限元的精确组件建模和其他在cae(英语：computer-aided engineering；计算机辅助工程)中总结的方法，已经在现代产品开发中得到应用。基于此的分析可以提供对相应的建模组件的特性的精确洞察并进而加速开发。然而，缺点是相应的数据通常无法访问和理解，并且例如，有限元专家(fe：finite element有限元)被保留。此外，当今以及可预见的未来实际可用的计算硬件无法在合理的时间内完全建模和模拟复杂的系统，因为这涉及太多的计算工作量和复杂性。
3.因此，到目前为止，人们经常将自己限制在单个组件的单独建模和/或用完全简化的代表取代复杂系统或结构，这只能提供非常粗略的基本陈述和结果。因此，以电动机为例，马达壳体本身的复杂的结构动力学可以简化为两个质量和两个弹簧，作为转子动力学的简化的启动模型，或者转子的振动特性可以大致近似为用于电气计算的简化基础，其中只考虑了转子质量惯性矩。
4.因此，至今的任何方法都不能以切实可行的方式获得关于复杂结构或系统的详细而可靠的陈述和知识，这些结构或系统由相互作用或相互接触的几个组件组成。但这正是对于未来进一步改进的和数字化的产品开发的兴趣所在。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提出一种用于技术结构的数字处理的改进的可能性。根据本发明，该目的通过独立权利要求的主题来实现。本发明的有利的设计方案和改进方案在从属权利要求，说明书和附图中说明。
6.根据本发明的方法用于生成预定的技术结构的数字代表，即数字模型或数字孪生。在本发明的意义中的技术结构可以例如是设备、机器、仪器、系统、设施或类似物，尤其是由多个组件或部件组成。这种技术结构的一个例子可以是高压电动机(高压马达)。然而，最终，根据本发明的方法可以成功地用于几乎任何数字的，也就是可计算机辅助地表示的或建模的结构。
7.在根据本发明的方法的方法步骤中，基于技术结构的预定的组件的数字三维几何数据，提供或获取这些组件的按域特定的模型。三维几何数据指示相应的组件的构造或结构。对此，尤其可以使用笛卡尔坐标，但也可以使用柱坐标、球坐标或类似物。这些坐标(其中提供或存在三维几何数据或按域特定的模型)在此称为原始坐标。换言之，相应的组件的几何形状因此可以由原始坐标、尤其是笛卡尔坐标中的三维几何数据来描述。三维几何数据可以例如以cad数据集(cad：计算机辅助设计)的形式，作为有限元模型或类似物存在。在
电动机的实例中(本发明不限于此)，组件能够是例如电动机的壳体、转子、定子、冷却设备、有源电元件和更多类似物。
8.这里，按域特定的模型是至少主要对物理技术域中相应的组件的特性或表现进行建模或描述的模型。例如，这些领域可以是(经典)力学、电学或电动力学、热学或热力学和更多类似物，即分别涉及或包括物理或技术的子领域或专业领域。与试图在所有领域或方面完全建模或描述相应的组件的完整模型相比，相应的按域特定的模型具有明显较低的复杂度。因此可以以相应较少的努力有利地生成和管理按域特定的模型。
9.提供或获取按域特定的模型可以例如意味着或包括它们的计算机辅助的或半自动的生成和/或它们从提供的数据存储或组件的相应的模型库中的加载或检索。
10.在根据本发明的方法的另一个方法步骤中，基于按域特定的模型执行模型降阶。因此，减少了用于计算或以数字处理模型所需的顺序或复杂性以及因此所需的计算工作量。为此，按域特定的模型至少部分地从它们的原始坐标，尤其是笛卡尔坐标转换或变换为模态坐标。在此，这些模态坐标是一组最小坐标，因此可以有利地实现特别高效且省力的计算或模拟。
11.利用这些模态坐标，借助于相应的模态分析来确定组件的频谱表现。换言之，这里通过模态分析实现组件的动力学的数值表征，其中，这些被理解为振动的系统和/或组件被分配衰减时间或时间常数作为模态分析的基础。组件的动力学或频谱表现可以例如通过在相应的模态分析的范畴中确定的模态参数、固有频率、特征形式或固有振动类型、模态质量，必要时模态阻尼和/或更多类似物来表征或描述。
12.基于此，然后为组件生成作为组件的降阶的频谱模型的状态空间表示(zrd)。换言之，组件或其表现或特性由相应的状态空间表示中的频谱模型来描述或表征。与原始的按域特定的模型或各个组件的相应的有限元模型相比，模型降阶在此已经可以由此得出，即仅对组件整体的模态，即相应的振动状态计算或建模，而不再为所有三个笛卡尔空间方向上的相应的组件的所有部件或区域的单独的运动或特性计算或建模。因此，与按域特定的模型或组件的完整的有限元模型相比，频谱模型能够以更简单或更紧凑的方式描述组件的动力学或振动特性。
13.在根据本发明的方法的另一个方法步骤中，为了模拟技术结构，组件的频谱模型在总体上彼此耦接或彼此连接成数字代表，数字代表跨域地描述技术结构的表现。换句话说，技术结构的数字代表因此可以(类似于从各个组件组装相应的真实的技术结构)通过耦接用于各个组件的频谱模型来生成。因为频谱模型基于按域特定的模型建立，该模型尤其可以描述不同域中的组件，这导致在相应的不同域中对整个的技术结构进行表征、描述或建模。在此，一个组件可以由一个频谱模型来描述，或者一个组件在不同域中的特性或表现可以由该组件的多个频谱模型来描述。
14.通过将各个频谱模型彼此耦接，在此可以有利地对组件之间的交互，尤其是跨不同域的交互进行建模或模拟，并且相应地获得用于整个的技术结构的表现或特性的相应的知识，其无法从目前为止通常单独考虑的单个组件的按域特定的或有限元模型中得出。由于模型降阶，即使使用当今广泛可用的计算硬件，用于整个的技术结构的这种建模和模拟的计算工作仍有利地保持可行。此外，根据本发明的方法提供了用于加速和减少所需计算工作量的进一步选择，这将在下面更详细地解释。由于所需的计算工作量减少，本发明仍然
可以提供更详细，更准确和更可靠的结果以及对整个的技术结构的表现的洞察，而不是通过开头描述的组件的非常粗略的近似获得一些基本的理想化的元件。因此，本发明使得例如可以在开发或设计过程的范畴中，以改进的准确性和可靠性纯数字和计算机辅助地识别技术结构的设计中的潜在问题或弱点，并更好地调整组件的设计到实际发生的负载。因此最终，这可以提高真实的技术结构的可靠性，并且同时，必要时还可以节省材料。
15.根据本发明的方法可以借助于相应设置的数据处设备，例如根据本发明的用于数据处理的装置，尤其自动或半自动地执行。例如，可以使用传统的计算机、传统的工作站、大型计算机或类似物作为这种数据处理设备。因此，数据处理设备尤其可以包括处理器、微芯片、集成电路、硬件电路或类似物，用于执行编码或代表该方法的计算机程序或程序代码。此外，数据处理设备尤其可以具有与其连接的易失的和/或非易失的数据存储器，一个或多个用于接收和输出数据的接口和/或更多类似物。
16.数据处理设备可以具有一个或多个子设备，用于执行根据本发明的方法的各个方法步骤。例如，这可以是用于获取或提供按域特定的模型的获取或提供设备，用于执行模型降阶和与其相关描述的过程的模型降阶设备，以及用于通过将频谱模型彼此耦接来生成技术结构的数字代表的耦接设备。同样地，可以提供一种基于这种方式生成的数字代表用于模拟技术结构的模拟设备。这些子设备可以是或包括相应的硬件电路或硬件模块，也可以是所命名的计算机程序的相应的程序部分或程序模块，即例如用于数据处理设备的操作程序。
17.在本发明的一个有利的设计方案中，在用于组件的相应的模态分析中分别确定模态解耦的质量矩阵m和刚度矩阵k。在通常情况下，也可以在此确定相应的阻尼矩阵d。依据用于相应的组件的运动方程，然后通过状态空间表示实现新的排列，即在状态空间表示的形式中。在此，运动微分方程(简称运动方程)对于具有一个自由度的组件可以表示为：
[0018][0019]
其中，s是位置矢量，f是外力。对于模态分析的特殊情况，可以应用或设置f＝0。相应的状态空间表示可以表示为：
[0020]
以及y＝c
·
x d
·u[0021]
其中，t是时间，x是位置向量，u是输入向量，y是输出向量，a是系统矩阵，b是输入矩阵，c是输出矩阵并且d是透射矩阵。状态空间表示的矩阵在此以正常的表示形式给出：
[0022]
以及c＝[φ 0]。
[0023]
透射矩阵d在这里可以是零矩阵，即如果技术结构或相应的组件是机械系统，则省略它，因为机械系统在位置和速度方面不能跳跃。在许多技术结构中或者对于技术结构的许多组件，例如电动机的结构部件，可以假设阻尼弱到可以忽略，从而也可以省略运动方程的阻尼矩阵d。通过组合和重新排列参数然后得出可忽略阻尼的特殊情况：
[0024]
以及y＝[φ 0]
·
q＝c
·q[0025]
其中设有：状态向量q和特征形式矩阵φ。因此，模态分析在这里可以作为无阻尼的模态分析执行，这有利地得出简化的计算和相应减少的工作量。
[0026]
利用这里提出的方法，可以特别有效地实施根据本发明的方法，即技术结构的数字化和建模或模拟，并且可以实施切实可行的可管理的计算工作量。
[0027]
在本发明的另一个有利的设计方案中，仅针对预定的较低的频率范围和/或仅针对最高能量的模式的预定的数量执行相应的模态分析。例如，模态分析可以限制在0hz与2khz之间，或0hz与1khz之间，或0hz与500hz之间的频率范围内。附加地或可替换地，模态分析可以被限制为相对高能量的模式。为此，例如可以根据它们的能量含量或它们对振动的总能量或相应的组件的动力学的贡献来对模式进行分类。其中，只有在最高能量的n个模式中可以被考虑或用于进一步的计算，其中，n可以是预定的数量或预定的例如百分比、比例。同样，例如可以根据类型、基本结构或预定的参考或比较值执行或预定假设或估计，相应的组件的最高能量模式可能在哪个频率范围内，并且模态分析仅限于此。通过此处提出的模态分析的限制，可以进一步减少所需的计算工作量。然而根据经验，此处提供的特定限制仍可用于获得对组件的表现和特性以及整个技术结构的特别相关的陈述和认识。
[0028]
在本发明的另一个有利的设计方案中，针对模型降阶，在模态分析之后，仅针对离散观察点的预定的选择，执行从笛卡尔坐标到模态坐标的转换和/或从模态坐标到笛卡尔坐标的反向转换，其中，在这些离散观察点处在模拟期间整体确定技术结构的外部影响。例如，根据技术结构的复杂性，可以预定或使用最多1000个或最多100个观察点。这些观察点尤其可以是组件的节点，连接点或附着点，存储或支撑点或类似物。已经表明，通过对这些对于技术结构的表现和其特性来说重要的某些观察点的这种限制，可以获得当今通常需要或要求的数据，例如用于设计组件和/或加载环境中或与技术结构接触的其他组件。在此，与完整的(例如基于有限元的)技术结构的建模和仿真相比，计算工作量或要处理的数据量可以减少几个数量级。由于这里提出的根据本发明的建模方法的结构，技术结构在观察点处的特性的结果的准确性在此仍然可以在利用完整的有限元分析也可以实现的准确性的范围内，例如最多偏差5％或最多偏差10％。因此，对预定的观察点的限制可以为模型降阶提供特别有效和高效的贡献。
[0029]
在预定的观察点处，最终可以在组件或技术结构的内部(即模型内部的)模态的描述与外部的笛卡尔描述之间建立双向连接。在当前情况下，该连接借助于或基于相应的特征形式产生。这些如同相应的固有频率一样是模态分析的一部分，并且因此无论如何都可以使用，并且不会产生任何进一步或额外的计算工作量。因此，不仅可以相应地减少在根据本发明的方法中本身要处理的数据量，而且例如可以相应地减少从它导出或在此基础上获得的数据，这些数据可供其他应用程序或程序使用。在此提出的本发明的设计方案是基于这样的认识，即对于许多步骤，例如在技术结构的开发、制造、安装、评估和测试中，只需要有限数量的核心信息，而不是相应的技术结构在所有点或所有域的详细特性的完整的全局知识。例如，在电动机的情况下，其在与装载机的接口处、在电源连接处以及在支撑或基础处的特性可能是特别重要的。与以前的方法相比，根据本发明的方法能够以改进的准确性或实际可管理的成本获得关于这些或相应的观察点的特性的详细和可靠的信息，即使对于由多个组件彼此耦接而成的复杂的技术结构也是如此。
[0030]
在本发明的一个有利的改进方案中，根据相应的组件的类别，自动地确定三维几何数据中的观察点或组件的相应的有限元模型。可以例如在表格或数据库中或作为参数或在元数据中预定类别，以用于相应的几何数据，相应的有限元模型或相应的组件。类别可以
指示组件的种类或类型。例如，组件可以分类为或是壳体、散热器、轴承、车轴或轴、转子、有源电元件、基础和/或更多类似物。例如，应可以为每个类别预定哪个点或哪些点将用作观察点。如所描述的，这些例如可以是轴承或支撑点、节点、连接点或附着点，但也可以是极值点，例如最小直径或最小材料厚度的点或区域，最低点，最高点或中心或重心或类似物。然后可以为几何数据或有限元模型中的相应的组件自动确定这些类型的观察点。以这种方式，可以实现根据本发明的方法的更广泛的自动化，进而进一步最小化为获得有用的结果或知识而必须付出的努力。
[0031]
同样，可以手动预定或确定或调整部分或全部观察点。在任何情况下，一旦自动或手动地确定了观察点，就可以基于它们自动执行进一步的措施或步骤。然后，因此可以例如根据相应的组件的类别和/或确定的观察点的数量和/或类型，自动地确定或选择用于模态分析或模拟的扫描率或采样率或频率，待确定的特征形式或模式的数量，待考虑或待分析的频率范围，待使用的坐标系，待考虑的自由度的数量和类型和/或更多类似物。为此可以预定相应的规定和/或分配表。
[0032]
在本发明的另一个有利的设计方案中，在生成技术结构的数字代表时，将理想化的耦接机构用于将组件的至少一些频谱模型彼此连接和/或与其他预定的元件连接。这种理想化的耦接元件例如可以是理想的弹簧、阻尼器、质量或质量振动器或类似物。这种理想化的耦接元件可以分别代表或建模特定的基本特性，即以数学或机械理想化的方式，即以从真实的部件抽象的方式。因此，理想化的耦接机构以及部件或其他元件的相应的连接可以以特别简单的方式被建模和计算。然而，由于以这种方式相互连接的组件本身的建模精度更高，因此理想化的耦接机构的末端或连接点处出现的载荷可以相应地准确反映相应的实际的技术结构的表现，从而尽管使用了理想化的耦接机构，但最终可以为实际目的得到足够的准确性。
[0033]
所提及的其他的元件例如可以代表轴承刚度、摩擦效果、尤其是运动组件的空气摩擦和/或更多类似物。因此，其他的元件尤其可以代表效果或影响，这些效果或影响不能容易地以三维几何数据的形式或作为独立的有限元模型被建模或代表。尤其可以通过附加的元件对非线性进行建模或模拟，这些非线性可以经由组件和其他的元件组成的相应的更全面的系统的模拟级别呈现。这种非线性例如可以发生在滑动轴承中，高压马达的气隙中和/或其他点处。其他的元件同样可以被理想化或抽象化，或由单个模型(例如基于因果或物理建模)预定。
[0034]
在本发明的另一个有利的设计方案中，组件的频谱模型中的至少一个也与至少一个预定的数字化的环境组件连接，该环境组件代表规划的实际使用中的技术结构的环境。由此，为模拟生成包括技术结构的设施的数字代表。例如，环境组件可以是或代表与原始的技术结构一起形成设施或为设施的一部分的技术结构。这种环境组件的示例可以是或代表支撑技术结构的基础、电源连接或供电设备，经由其为技术结构提供功率或能量，借助于技术结构操作或驱动的装载机，用于技术结构的支架，在其中布置技术结构的机房和/或更多类似物。环境组件因此可以代表或映射用于技术结构的相应的实际使用和/或工作环境。这是特别有利的，因为技术结构的表现可以受到其环境的影响和/或可以以此方式获得知识，据此可以优化环境的布置或设计。考虑到相应的环境从而有利地实现针对技术结构的不同应用场景的单独的调整或评估。这在以前是不可行的，因为一方面完整的有限元分析会导
致无法管理的工作量，并且另一方面，开头提到的技术结构的大大简化的代表不能仅通过一些理想化的元件提供或实现足够精确的数据和交互。
[0035]
在本发明的有利的改进方案中，至少一个环境组件最初由至少一个理想化的元件代表。在设施的数字代表的迭代的改进过程中，理想化的元件然后由环境组件的有限元模型(fe模型)或由其导出的降阶的频谱模型替代。换言之，设施的数字代表可以逐渐适应和改进或更详细地设计，例如一旦在相应的开发或设计过程中至少一个环境组件的相应的详细的模型变得可用时。本发明的一个特别的优点是，由于数字代表的模块化结构，这很容易实现。由于环境组件最初由理想化的元件代表，因此可以最小化初始的计算工作量，从而可以特别快地并且在早期就获得第一结果。因此，可以提高用于技术结构或设施的开发和设计过程的效率和并行性。理想化的元件在这里是指基于理想化假设的描述，该假设忽略了现实中发生的复杂影响，例如，从最简单的模型和经典力学、电动力学和热力学的理论中已知。
[0036]
本发明的另一个方面是一种包括命令或控制指令的计算机程序产品，其在由计算机，尤其是根据本发明的用于数据处理的装置或结合根据本发明的方法提及的数据处理设备执行时，对此使该计算机尤其自动或半自动地执行根据本发明的方法的至少一个变体。根据本发明的计算机程序产品可以是计算机程序。与此相应地，根据本发明的方法可以是完全或部分计算机实施的或计算机可实施的，即由这样的计算机程序或相应的程序代码编码或代表。同样，根据本发明的计算机程序产品可以是计算机可读的数据载体，相应的计算机程序存储在该数据载体上。
[0037]
本发明的另一个方面是已经提到的用于数据处理的装置。该装置具有用于尤其自动或半自动地执行根据本发明的方法的至少一个变体的机构。这些机构尤其可以是结合所提及的数据处理设备描述的机构。因此，根据本发明的装置可以尤其具有相应的处理器、数据存储器和至少一个输入和/或输出接口，用于执行该方法或相应的计算机程序或程序代码。根据本发明的装置尤其可以包括根据本发明的计算机程序产品。由于根据本发明的装置可以特别设置为执行根据本发明的方法并且因此可以借助于根据本发明的装置来执行根据本发明的方法，根据本发明的装置可以相应地具有结合根据本发明的方法描述的一些或全部特性和/或特征。
[0038]
本发明还包括本发明的各个方面的改进方案，即根据本发明的方法、根据本发明的计算机程序产品和根据本发明的装置，其具有仅结合本发明的一个或一些方面描述的特征。为了避免不必要的冗余，本发明或其各个方面的相应改进方案在此不再针对所有这些方面单独描述。
[0039]
本发明还包括所述实施方式的特征的组合。
附图说明
[0040]
下面描述本发明的实施例。图中示出：
[0041]
图1示出了用于执行方法的装置的示意图，该方法用于提供技术结构的数字代表，其中，该方法由示例性的流程图表示；
[0042]
图2示出了用于说明组件的第一描述的示意图；
[0043]
图3示出了用于说明组件的第二描述的示意图；和
[0044]
图4示出了用于说明数字代表的示意图。
具体实施方式
[0045]
下面解释的实施例是本发明的优选实施例。在实施例中，所描述的实施方式的组件分别代表本发明的各个特征，这些特征彼此独立地被考虑并且也彼此独立地进一步改进本发明。因此，本公开还应包括实施方式的特征的图示以外的组合。此外，所描述的实施方式还可以通过其他已经描述的本发明的特征来补充。
[0046]
出于各种原因，例如为了支持产品开发和测试，使技术结构的数字图像或数字代表可用是合乎需要且有利的。在下文中，对此纯示例性地假设高压电机(hv motor)由多个组件和部件组成，因此代表了复杂的技术结构。对于研发部分的设计，只有两种针对数字的替换方案，即这种复杂技术结构的计算机辅助考虑，其中分别主要作用于不同的物理技术域的多个组件彼此耦接。这首先是复杂的多物理模拟，其次是忽略了对整个技术结构的耦接考虑。由于需要资源，前者目前不可行，因此在实践中通常不需要对整个系统进行正确的仿真。这同样适用于例如整个传动系统的预防性分析。
[0047]
还应该注意的是，通常可以根据要求或客户意愿以不同的配置提供复杂的技术结构。这意味着即使针对极端值，例如最重、最轻、最长、最短等配置或变体进行分析或模拟，根据这些通常也不会获得用于客户特定的变体或配置的可靠的信息或优化的设计，该变体或配置位于相应的参数字段的中间，并且可能具有无法识别的不利的组合或各个组件之间的相互作用。
[0048]
代替对整个系统(即整个技术结构)的完整的(即物理上至少基本正确)的考虑，当前可以单独并且按域特定地执行对相应的技术结构的各个组件的模拟和相应的设计。因此，这意味着模拟或计算机辅助检查或分析分别限于单个组件和单个域，并且单个组件以及整个技术结构仅在单个域中没有整体系统表示的情况下进行设计。此外，在当今已建立的流程中，即使是单个组件的相应的仿真数据通常也只提供给专家使用，例如在用于有限元建模(fe建模)的专门的程序中，因此不可供其他部门(例如工程或销售)或相应的客户或用户或最终消费者使用。然而，从对完整的技术结构的瞬态模拟的数字化图像的请求中可以看出，存在相应的需求。
[0049]
对此，这些通常被简化为非常粗略的信息，而不是提供相应的准确的模拟数据或模型。例如，马达壳体的复杂的结构动力学已经被简化为两个质量和两个弹簧，以便能够与转子动力学相结合。例如，对于电气计算，通过仅考虑转子质量惯性矩就可以非常粗略地近似转子的振动特性。此外，单个组件在此没有完全模拟，而是通过等效电路图或简单的几何基本形状或抽象质点来表示。
[0050]
为了解决这些困难，问题和不足，这里将提出一种建模方法，通过这种方法，可以从各个域的详细分析中提取核心信息，并跨域相互结合，以实现具有更高准确性的通用的整体系统考虑。因此，这有利地存在跨域模拟相应的技术结构的特定变体或配置的可能性。在此，相应的特定变体或配置由相应的技术结构的组件或主要组件的各个按域特定的模型数字化组合而成。
[0051]
有利地，在此也可以考虑相应的技术结构的环境知识，以便最终模拟技术结构的相应的特定配置在特定预期的使用或工作环境中的表现。
[0052]
各个组件被特定域地，尤其是基于所提供的相应的数字三维几何数据来建模。如有必要，在此可以为单个组件生成或提供不同域的多个按域特定的模型，每个模型在此都可以基于组件的相同的三维几何形状。在此，可以分别使用根据设计或根据规格的几何尺寸或相应的三维几何数据，使得此处因此不会根据其几何形状或根据其结构对组件进行简化或抽象，因此最终可以实现结果的准确性的改进。环境组件或环境元件，即环境的元件或部见或代表环境的那些，可以以相同的方式或必要时通过简化或理想化的元件来提供或表示。
[0053]
利用此处介绍的技术，可以从各个域中提取相应的技术结构的相关的频谱表现，使得以前难以管理的完整模拟计算模型(其例如仅对于马达壳体的结构动力学就可以包括1000万个方程)可以有效地减少到相对较少，例如可以打包10到100或至多1000个方程。通过提取和处理的类型，甚至可以有利地使相应的数据或模型能够传递给第三方，例如传递给外部的公司或客户，而无需披露与开发或生产相关的知识，即遵守保密要求。因此，第三方可以在特定请求的配置中接收相应的技术结构的数字图像，用于相关参数的瞬态计算，但是，无法从中推断出有关技术结构的内部工作或内部结构的明确详细信息。
[0054]
对此，图1示出了用于执行方法的数据处理装置c1(例如计算机)的示意图，该方法用于提供技术结构的数字代表。这里，数据处理装置c1具有数据存储器c2、与数据存储器连接的处理器c3和与处理器连接的用于接收和输出数据的接口c4。执行该方法的计算机程序在此存储在该数据存储器c2上。相应的程序模块或方法序列在此由具有方法步骤s1至s10的流程图1表示。下面将参考其他附图根据流程图1更详细地解释该方法。
[0055]
该方法主要用于生成相应的技术结构(在本例中为高压电机)的数字孪生，并提供相应的工作流程。在方法步骤s1中，首先从开发环境中导出高压电机各个组件的数字三维几何数据，这里是从plm系统(plm：产品生命周期管理)中导出。在此，使用中性的，即独立于制造商的、标准化的且不与特定的应用程序相关联的文件格式，例如step(产品模型数据交换标准)。在此，step有利地实现了特别少的数据量，并且可以根据经验提供特别好的转换结果。
[0056]
在方法步骤s2中，以这种方式导出的几何数据，即相应的数据集，例如三维cad数据，被导入到用于有限元建模或有限元模拟的程序中，例如“ansys mechanical”。其中，该数据集被cae合规(cae：计算机辅助工程)地处理。为此，不是相应的组件的基本结构的一部分以及因此与相应的组件的表现无关或不太相关的元件可以被移除，以减少数据量。这些例如可以是组件本身的元件，例如用于固定其他的元件的孔，润滑剂通道，电缆支架等，或包含在导入的数据集中的、固定到实际组件的其他的元件。该cae合规的处理已经可以看作是模型降阶的第一部分，由此进一步在此降低或限制待处理的数据量和相应的计算或模拟量，使得在此描述的方法能够以常规可用的计算硬件，例如通常的工作计算机或工作站来执行，并且不必使用大型机或超级计算机。
[0057]
在有限元程序中，组件的几何形状以原始坐标描述。通常，这些可以是笛卡尔坐标，从而有三组方程系统用于相应的组件的高度，深度和宽度。
[0058]
在方法步骤s3中，相应获得的分析基础，最终也就是几何或有限元数据组或有限元模型，从原始坐标，尤其是笛卡尔坐标变换为最小模态坐标。优选地，这仅针对预定的离散点集执行，其构成有限元模型所有点的相对较小的一部分。这代表了模型降阶的另一部
分，通过其简化了后续的计算或模拟。
[0059]
在方法步骤s4中，即根据按域特定的模型对各个组件执行相应的模态分析，用于确定组件的相应的频谱表现。在此，模态分析限于指定的点集，即指定的观察点27(见图4)，在这些点处相应的组件的表现在实践中特别相关。例如，这些观察点可以是节点、到环境或到其他组件的连接点或耦接点、位点、组件的极值点、中点或以某种其他方式标记的点。此外，可以优选地仅考虑相对低频但相对高能量的模式，例如至多500hz的频率。对基本点的基本数据的这些限制可以使要处理的数据量减少例如大约五个数量级，即大约99.999％。因此，最终在选择的观察点27中获得的结果仍然可以与完整的有限元分析大致一样准确。所描述的模态分析的局限性描述了模型降阶的重要部分。
[0060]
在当前情况下，执行无阻尼的模态分析，其中包含或使用相应的运动微分方程以用于组件的基本形式。在模态分析中，为组件计算相应的模态解耦的质量矩阵m和刚度矩阵k。这些在方法步骤s5中被转换成状态空间表示(zrd)并重新排列。对于自由度的简化可以表示为：
[0061]
以及y＝c
·
q，其中设有：
[0062]
且c＝[φ 0]
[0063]
位置向量x，外力f，时间变量t，状态向量q，系统矩阵a，输入矩阵b，输出矩阵c，输出向量y，固有频率ω和特征形式矩阵φ的对角矩阵
[0064]
这里，有时在状态空间表示中使用的透射矩阵可以是零矩阵，因此可以省略，因为机械系统不能在位置和速度方面跳跃，并且这里考虑的技术结构也可以始终是机械系统。同样，这里示例性地假设可忽略不计的小阻尼，使得否则这里出现的阻尼矩阵也为0。
[0065]
图2示出了用于说明对应于运动微分方程的组件2的第一描述的示意图。这里，组件2示意性地由质量块3和支撑件4以及它们的借助于弹簧5和阻尼器的联接来表示。组件2的表现由这里同样示意性表示的位置矢量7表征，对应于变量x。在当前情况下，可以在用于组件2的运动微分方程中省略阻尼矩阵，因为例如高压马达的结构部件无论如何都只是弱阻尼。用这种方式，也可以规避有限元求解器的限制，因为阻尼模态分析目前不可行。
[0066]
图3示出了用于说明组件2的第二描述的示意图，对应于状态空间表示的正常表示形式。这里，对应于变量u的与时间相关的输入向量8与对应于变量b的输入矩阵9组合。由此产生的结果被添加到具有对应于变量a的系统矩阵11的第一组合元件10中。得到的结果与衰减元件12结合，使得引入时间常数或与1/秒成比例，即频率。得到的结果与对应于变量c的输出矩阵13结合。对应的结果在第二组合元件14中与对应于变量d的透射矩阵15相加地结合，只要其没有被省略。最终，结果是对应于变量y的与时间相关的输出向量16。
[0067]
通过结合运动微分方程和zrd，对应于根据图2和图3的描述的组合，以及变量的重新排列，在忽略阻尼的情况下得到：
[0068]
以及
[0069]
y＝[φ 0]
·
q＝c
·
q。
[0070]
这可以理解为这里描述的方法的数学基础。
[0071]
对于相应的技术结构的所有组件执行模态分析和模型降阶，这里即是对于高压马达的所有组件。这里，相应的固有形式用于内部模态描述和外部笛卡尔描述的双向连接。与相应的固有频率一样，它们是模态分析的主要的部分，因此无需进一步的计算工作。笛卡尔坐标和模态坐标(模态)的转换仅在观察点处发生，因此使得最终仅在此处计算相应的组件或相应的技术结构或系统的外部影响。经由特征形式矩阵φ进行计算。模式表示相应的系统的k个状态，这些状态汇总在状态向量q(t)中。如果存在，这些可以是刚体模式，弯曲模式，扭转模式和/或等多的类似物。
[0072]
对应于输入向量u(t)的系统激励在这里通过以下方式被分解为k个状态q(t)的激励：
[0073]
ui(t)＝∑
i，k
θ
i，k
，qk(t)，
[0074]
其中，指数i代表相应的激励(输入，位置和自由度)，并且θ
i，k
指明特征形式矩阵φ的所属元素作为相应的状态的加权元素。每个定义的输出j的响应yj(t)-为输出向量y中的所有输出j组合-由状态q(t)和特征形式加权因子θ
j，k
组成为：
[0075]
yj(t)＝σ
j，k
θ
j，k
·
qk(f)。
[0076]
用这种方式，可以针对每个定义的观察点27和自由度计算输出yj(t)。经由a、b和c矩阵完全描述状态空间表示。用这种方式，可以总体地创建降阶的模型。
[0077]
通过这里描述的方法，包括从笛卡尔坐标到模态坐标的变换以及对预定的观察点27的限制，能够实现显著的模型降阶并为加速计算和模拟开辟巨大的潜力。
[0078]
方法步骤s5的结果，即约是相应的状态空间矩阵(英语：state space matrices)在方法步骤s6中，优选地以中性格式被导入系统模拟，即相应的软件或相应的程序，例如“ansys twin builder”。这里单个组件的降阶的模型，即所谓的组件孪生，被组装成整个技术结构的数字代表。在此，组件孪生彼此连接，其中，必要时可以添加其他的元件并且由组件构成的联合体可以在其规划的目标应用程序，也就是相应的应用或工作环境中使用。为此，例如可以定义和建模环境，边界和初始条件。必要时，可以被添加的其他的元件可以例如更多地表示轴承刚度，代表空气摩擦和/或类似物。最终，几乎可以插入任何其他的元件，只要它们可以在数学上进行描述。这尤其适用于具有不同特征曲线的负载或联轴器或类似物。利用该方法还可以添加其他的物理效果或域。最终，这里得到的结果是数字代表，即整体模型或频谱图像或整个技术结构的图像，必要时包括其周围环境，这里也称为数字孪生。
[0079]
对此，图4示出了示意图用于说明以高压马达的数字孪生17的形式的这种数字代表，包括一些环境组件，即相应的整体设施的数字孪生。高压马达的主要组件在这里是壳体18、与其连接的冷却元件19、定子20、转子21和有源电元件22。定子20和转子21例如在此安装在壳体18中并因此至少间接地与其机械连接。与高压马达连接的其他的组件可以例如是电力功率调整器(这里由供电网络或相应的电源接口23表示)、基础24(壳体18应该被放置和安装在该基础上)、此处未详细显示的接合器以及负载25(该负载在此示意性地通过装载机26连接到高压马达处)。
[0080]
这里示出的这些组件之间的连接表示组件之间的交互或相互作用或耦接。这些连接例如可以由此被代表或被建模，使得在组件处出现的功率、负载或影响被作为输入变量以用于建模或模拟与其连接的另外的组件。该连接同样可以由单独的其他的元件表示。为此，例如可以将理想的传动机构、弹簧、阻尼器和/或类似物插入数字孪生17中。因此，高压
马达最终可以在其规划的后续的应用环境中的所有建模的域中进行模拟，尤其与传统方式中实际使用的方法相比以特别省时的方式和更高的精度。这是通过不同的措施和方法的结合来实现的，这些措施和方法已被证明特别有效。环境的建模(这里例如由电网接口23、基础24和装载机26表示)尤其是一种新的特性，其代表了这里提出的数字孪生17或这里提出的方法相对于常规方法的特殊优点。因此，这提供了对环境和任何其他的组件以及相应的耦接及其相应的频谱表现进行建模的机会。因此，这允许计算或模拟高压马达的表现及其与环境的相互作用，即数字孪生17的整体表现。
[0081]
这里，一些观察点27被示例性地标注，在方法步骤s8中实际上模拟在这些观察点处的数字孪生17的表现或外部影响。此处，例如不在壳体18的任意点处，而是例如仅在其位置点处或者至数字孪生17的其余的组件的连接处以及相应地针对其余的组件计算数字孪生17的表现。数字孪生17的应用者或者使用者通常主要对与相应的用户特定的应用相关的一些核心信息感兴趣。该核心信息包括定义的界面和定义位置的结果，例如观察点27。装载机26代表这种特别相关的接口。例如，这里可以根据实际要求或测量提供转速和扭矩的值，并根据数字孪生17计算或模拟。另一个特别相关的接口是电源接口，在此例如电源接口23或有源电元件22。例如，在高压马达的情况下，在此都可以提供或模拟来自电源的具有定义的电压和频率(dol，直接在线)的三相交流电或来自用于任何转速(vsd，变速驱动器)的具有调节电压和频率的逆变器电源的三相交流电。另一个接口，即另一个观察点27(在产品开发的背景下其可能与设计特别相关)是基础24或其与壳体18的连接。在与高压马达的结构部件相互作用时，这例如定义了转速调整范围。
[0082]
这些以及必要时其他的接口在数字孪生体17中以观察点27的形式定义。其他的可以根据需要随后建模。以同样的方式，监控点可以或将被定义为观察点27的补充或一部分。可以在数字孪生17的任何点处设置这样的监控点，以便在那里挖掘数据或信息，即在模拟的框架内跟踪数字孪生17的表现。这尤其在真实的对应物处不易接近的位置处也是可能的。这项技术也可以称为虚拟传感器或软传感器，因为它是一种虚拟的、数字的观察或分析。总体而言，这种方法特别有利，并且为改进以前的过程提供了特别巨大的潜力，因为例如，无需复杂的物理测量过程就可以跟踪旋转部件和静止部件相对于彼此的位置。
[0083]
为了迭代地改进数字孪生17的模拟，在方法步骤s9中(只要它们可用或一旦它们可用)，例如用于高压马达的环境或者用于高压马达的组件之间的耦接和/或用于其他的物理效果的其他的组件的详细化的模型(例如有限元模型)被集成到数字孪生17中。在此，如有必要，可以更换以前使用的、不太详细的模型。相应地，方法步骤s6至s10中的一些或全部可以多次迭代运行，由此可以有利地实现开发过程中提高的效率、有效性和并行性。
[0084]
在(可选的)方法步骤s10中，例如可以将模拟的结果与数字孪生17的真实构建的对应物进行比较，以便能够评估数字孪生17或此处描述的方法和/或以便例如确定真实的对应物，即相应的真实的设施，是否在给定的规范内运行。在此，获得的知识然后可以在必要时用于改进方法或组件孪生，用于改进生产，用于改进运行策略和/或更多的类似物。
[0085]
最终，除了如转速-扭矩曲线获得的结果之外，这里介绍的方法还允许物理的连贯建模，即数字孪生17的更完整的表现，包括组件之间的耦接，由此这例如能够确定由于不平衡或例如地脚螺栓和/或更多类似物的载荷而引起的位置振动，这在以前的组件特定的单独考虑或单独模型中是不可能的。因此，例如地脚螺栓之类的零件可以设计为更好地适应
实际的载荷并且获得有价值的信息，例如施加到各种组件上的传力，总力(例如在基础24上)，通过用于进一步的结构工程建筑分析的高压马达的振动激励和更多的类似物。
[0086]
在此处使用的方法中，可以使用两种不同的建模类型的组合，即因果建模和物理建模(保守建模)。在因果建模中，给出定义好的输入输出表现。例如，物理建模可以使用节点电势法(基尔霍夫定则)，以便在两个节点之间以及两个组件之间创建双向连接。从这个意义上说，节点可以是一个组件的降阶的模型与环境的连接或与另一个组件或其降阶的模型的连接。尤其是简化或理想化的其他的元件，如弹簧，质量或阻尼元件也可以经由物理建模集成。因此，可以有利地使这里描述的方法的直观适用性能够用于广泛的专业人员，例如来自不同学科的工程师。
[0087]
这里介绍的方法的中心过程可以分为两个部分。一方面，在有限元分析或有限元建模的范畴中，这些是组件孪生的生成，并且另一方面在系统模拟中是整个孪生、即完整的数字孪生17的模拟使用。例如，“ansys mechanical”或“ansys twin builder”程序目前为此可用于实际应用。因此，这允许过程或方法至少在很大程度上自动化，例如通过经由act(应用程序兼容性工具包)或经由ironpython(python编程语言的实现)的控制，即通过现代编程的潜力的使用。
[0088]
此外，在过程自动化的范畴中，必要时可以自动设置或生成观察点27，例如根据组件的相应的预定的类别。例如，这可以有利地根据有限元程序中的几何数据来实现。在此，同样可以有利地自动定义或设置相应的坐标系、要模拟的自由度、边界和保留条件、用于有限元求解器的匹配的设置和/或更多的类似物，并且可以自动开始模拟或建模。
[0089]
根据相应的技术结构的预定的规范，必要时可以从提供的相应的模型库中检索相应的组件孪生，例如基于相应的机器可读的产品名称(mlfb)。在此，相应的mlfb可以指示或指定组件或整个技术结构的相应的变体、配置或设计。例如，可以经由mlfb为高压马达预定轴高或有源部件22的长度编号或类似物。然后，所有需要的组件或其提供的模型都可以自动或半自动地导入相应的模拟环境，并且与它们的相邻组件和/或中间插入的其他的元件，例如弹簧、阻尼器、传动元件等连接。例如，高压马达的机电能量转换也可以作为相应的组件孪生插入，并且例如自动或半自动地提供相应的基于mlfb的t等效电路图的正确的系数。
[0090]
例如，利用以前可用的软件工具可以分别单独计算高压马达的转子动力学，确定允许的转速调整范围，或者根据结构动力学得出壳体18对例如相邻的柴油发动机或地震或类似物的激励的系统响应。单独的电气模拟可以利用以前的方法确定高压马达的特性，其中，但是使用理想化的双质量振荡器形式的及其简化的转子模型作为机械基础，而不是转子21的实际符合规范的三维几何数据。
[0091]
然而，例如，如果结构动力学影响转子动力学效应，这些传统的软件工具就会失效，因为相应的完整分析需要计算时间和计算资源，而这些时间和资源实际上是不易管理的。因此，到目前为止，组件之间的交互还没有被考虑过，或者至少没有以现实的方式进行考虑。但是，这种相互作用在未来可能会变得更加重要，即有重大意义，因为例如，对复杂系统的材料节约，性能提高，效率和利用率的升高的同时要求将导致组件中耦接效应的加强参与。
[0092]
利用此处提出的方法，也可以跨域地在有限元精度下，至少对于最终相关的观察点27，以一致的方式对复杂的技术结构的整个物理场进行建模，计算工作量由于模型降阶
的措施受到限制，这允许以例如几分钟而不是几天或几周的时间范围对数字孪生17进行完整的模拟运行。在此，尽管模型降阶，但与以前的方法相比，可以获得新的见解，因为不仅单独考虑单个的组件和域，而且例如，多个组件和/或来自多个域的组合的特征模式相互组合或相互作用，即能够模拟。由于域是连贯地建模的，因此可以从跨相应的域边界的交互中生成结果。
[0093]
总体而言，此处描述的示例示出了如何通过适当生成技术结构的数字孪生来改进复杂的技术结构的数字处理。
[0094]
总之，本发明因此涉及用于生成技术结构的数字代表17的计算机辅助方法1和装置c1，以及相应的计算机程序产品1、c2，该技术结构尤其是电动机。在方法1中，提供了基于组件2、18、19、20、21、22的数字几何数据的按域特定的模型。在此基础上，执行模型降阶，其中，将按域特定的模型转换为模态坐标，从而借助于相应的模态来确定组件2、18、19、20、21、22的频谱表现。基于此，相应的状态空间表示被生成为降阶的频谱模型。为了整体模拟技术结构，频谱模型彼此耦接以形成用于模拟的数字代表17，该数字代表跨域地描述技术结构的表现。