研究背景与发表情况

本文档以研究论文形式发表，文章题为《Digitalization of large-scale testing facilities for the wind industry: Digit-Bench Digital Twin》，作者包括 Elif Ecem Baş（R&D Test Systems, Denmark）、Giuseppe Abbiati（Aarhus University, Denmark）、Cláudio Ângelo Gonçalves Gomes（Aarhus University, Denmark）等，发表于《Journal of Physics: Conference Series》（大会论文集），期刊编号为 2767，文章编号为042033，并由 IOP Publishing 出版。文章计划发表于2024年，与“Torque 2024”相关会议有关。

学术背景

随着风力发电技术的快速发展，风力涡轮机（Wind Turbine, WT）的规模变得越来越大，为了保证其可靠性和成本效益，对其关键部件的物理测试是不可或缺的。然而，传统测试方法耗时费力，例如单个风力涡轮机叶片的疲劳测试可能需要12-14个月时间，而风轮机机舱加速寿命测试（HALT）也需6-8个月时间。此外，设备制造商（OEMs）通常非常重视其工业机密，导致与测试设施之间有关仿真数据和模型交换的合作困难，并进一步加大了实验规划的复杂性。为此，系统级仿真技术被引入以优化实验设施操作，但当前的应用仍然受限。

数字孪生（Digital Twin, DT）技术以其融合物理系统与数字模型为一体的能力，成为解决上述问题的一种新兴范式。本研究旨在开发并展示一种名为“Digit-Bench”的数字孪生框架（DT Framework），其目标是提升大规模风电测试设施的运行管理效率，尤其体现在虚拟测试和实验混合方法的采用方面。

详细研究流程

Digit-Bench的整体架构

Digit-Bench数字孪生框架包含物理空间、数字空间和数据库三个核心组成部分。这些组成部分紧密协作，构成了系统的整体功能：

• 物理空间：包括反作用框架、测试加载单元（Test Loading Unit, TLU）以及测试设备（Device Under Test, DUT），例如，一根500毫米的悬臂梁。该部分可进行轴向载荷和弯曲载荷测试。

• 数字空间：主要由仿真模型构成，包括DUT的有限元模型（Finite Element Model, FEM）、TLU的多体动力学模型（Multibody Dynamics Model, MBD）、反作用框架的有限元模型以及该系统的3D可视化模型。所有模型被封装为功能模拟单元（Functional Mock-up Unit, FMU），以支持功能建模接口（Functional Mock-up Interface, FMI）标准。

• 数据库：采用开源时序数据库InfluxDB存储来自物理和数字空间的时间序列数据。这些数据可以通过仪表盘实现实时可视化，以便用户进行状态监控。

实验设施描述

本研究选用奥胡斯大学土木与建筑工程系的一台2自由度（2-DOFs）测试台作为实验验证平台。测试台的机械部分包括一个钢制反作用框架和两个线性驱动器组成的并联操控单元（Parallel Manipulator），用于实现控制点的位移/力控制，同时具备采集数据的功能。

仿真模型详细设计

1. FEM-DUT：DUT的有限元模型使用二维梁单元，基于线性弹性理论进行静力分析。输入变量为控制点位移（绿色标注），输出变量为反作用力（红色标注）。

2. FEM-TLU：该模型以多体系统的逆运动学计算为基础，模拟TLU的动态行为。输入为驱动点位移，输出为连接点的反作用力。

3. FEM-Frame：框架的有限元模型遵循与DUT一致的建模方法，主要用于分析反作用力分布。

4. FMU-Unity：使用Unity游戏引擎实现3D可视化功能，支持实时显示DUT变形以及测试加载过程的视觉反馈。

数据分析工作流

数据分析部分依托InfluxDB实现，其主要任务包括：

• 存储仿真结果和物理实验数据。
• 实现用户通过InfluxDB仪表盘实时查看实验与仿真状态。

虚拟测试应用与流程

虚拟测试（Virtual Testing）作为Digit-Bench DT的一个重要应用，用于在实际实验之前模拟实验过程。虚拟测试通过耦合仿真模型验证测试流程的可行性，以帮助测试操作员与设备制造商更高效地协调实验。这显著减少了耗时无效实验的可能性。

Digit-Bench使用基于FMI的协同仿真（Co-Simulation）框架实现虚拟测试，其协调器工具主要使用Maestro v2，并对每个FMU的输入-输出耦合关系进行建模。本研究的虚拟测试采样时间设定为10ms，以确保仿真稳定性和准确性。

主要研究成果

本研究成功验证了Digit-Bench DT在2-DOFs实验台上的功能，并提出以下主要成果：

1. 虚拟测试与3D可视化结合：通过Unity引擎实现的实时3D建模与InfluxDB的仪表盘设计，有效提升了实验执行监控和数据回溯的效率。

2. 协同仿真优势：协同仿真架构避免了直接共享设备制造商的敏感模型与数据，从而帮助保护工业机密。

3. 开源工具探索：本研究优先使用开源技术栈（如SymPy、InfluxDB），降低了商业软件锁定（Customer Lock-in）的风险。

4. 扩展性强的工作流：Digit-Bench DT工作流的设计可扩展至其他更复杂的物理测试场景，例如动态场景建模。

结论与研究价值

Digit-Bench框架为风电行业大规模测试设施的数字化和智能化探索提供了新可能性。研究成果表明，基于FMI的协同仿真框架能够有效消除实验规划的诸多瓶颈，包括测试设施的操作优化、实验流程的验证以及OEM与测试操作员之间的协作效率提升。这一框架还为虚拟测试与硬件在环（Hardware-in-the-Loop, HIL）测试方法的整合提供了新的范例。

从应用层面来看，Digit-Bench DT的研究为风电行业在降低测试成本和提高测试效率方面带来了潜在解决方案。例如，虚拟测试的引入减少了实验失败的风险，同时它为未来研究探索具有智能自更新功能的数字孪生系统打下了重要基础。

研究亮点

1. 开发了一套基于FMI的开源DT框架，集中解决了工业机密保护与测试成本优化的瓶颈问题。
2. 集成了虚拟测试、协同仿真及3D实时可视化，形成完整的数字孪生工具链。
3. 提供了面向复杂系统级实验设施数字化的范例，对后续研究与应用具有重要参考价值。