行业应用 | modeFRONTIER协助在生物医药行业的快速研发_通用_分子动力学_试验

行业应用 | modeFRONTIER协助在生物医药行业的快速研发

6天前浏览19

你知道吗？

modeFRONTIER®是由意大利优化技术专家ESTECO SPA开发的通用设计支持工具。它是全球推广的世界上第一个支持多目标优化的商业软件。

2013年截止当前，全球大约365家公司和85个研究机构已使用modeFRONTIER，累计发出1,500多个License。

在IDAJ中国CAE技术大会上，我们曾多次提到modeFRONTIER 这款产品，欢迎关注这款优秀的多学科、多目标优化软件。

在生物医药研发行业，需要通过大量的试验来确定多个参数之间的最佳配置。modeFRONTIER作为一款应用于多学科和多目标的优化工具，为单目标优化和多目标优化提供了多种创新算法。面对多目标问题时，通过综合考虑互斥的目标以及用户定义的约束条件确定最佳解决方案集。这样的最佳设计方案集被称作帕累托前沿（Pareto Frontier）。通过帕累托前沿的确定，可以帮助研究人员选择多个参数之间的最优方案。

modeFRONTIER应用领域

1.药物设计

通过modeFRONTIER可以简化复杂分子系统的设计，通过优化计算可以协助优化分子对接中的流程。

2.DNA测序

通过modeFRONTIER可以基于混合测序技术来优化新的基因组装配，从而最大程度地提高基因组装配质量并最小化测序成本。

3.酶工程

modeFRONTIER可以使计算分析过程自动化和标准化，并可以针对酶靶特性优化突变体的选择。

modeFRONTIER案例说明

药物设计：配体对接的多目标鲁棒性设计优化

蛋白质配体对接是药物设计的重要技术之一，正逐渐成为选择特定分子受体配体的标准方法。任何对接技术成功的关键在于，适应性功能能够更好地表示系统内部的能量相互作用，是由于蛋白质分子的自由度极大,可能的构象数量是天文数字,因此必须使用合理的优化搜索策略。modeFRONTIER包含多种空间搜索策略的方法，能够找到搜索空间的全局极限边界，从而找到最佳的配体构成。此外，某些条件的不确定性（例如结合位点的构象运动）是影响结果质量的重要因素。通过modeFRONTIER的鲁棒性优化功能，可以协助寻找鲁棒性更好的配体。

最佳配体构成稳健性最好配体构成

DNA测序：新基因组装配中的多目标优化

近年来，DNA测序已经是一门新兴的产业，即使目前市场上有许多不同的DNA测序的技术，测序项目的运营成本始终与所产生序列的长度有关。此外，通常需要根据操作员的经验来选择确定所使用的技术或技术组合的参数值，这些因素最终都与测序项目的总成本有关。

通过modeFRONTIER可以简化DNA测序和组装过程，可以预先确定实验参数的最佳设置，并在测序质量和成本之间取得平衡。modeFRONTIER具备的多目标优化算法，可以在不同的且互斥的优化目标间，找到各个目标的最佳平衡，可保证总体上减少过程持续时间和成本。

基于modeFRONTIER搭建的基于测序优化流程

酶工程：突变体的自动进化过程

酶的性质的改变可以直接通过修改其结构来实现。从计算仿真角度看，这一过程可以通过在氨基酸链中预定位置的选择性替换来完成。而要搭建虚拟突变体研究流程，针对设计，建模和评分的自动化过程至关重要。这种方法应包含不同的计算方法，例如对接，分子动力学和QSAR策略。modeFRONTIER作为一个自动化的平台，允许研究人员在灵活且通用的工作流程中构建该框架。

通过构建好的框架，可以使用modeFRONTIER的多目标优化方法，针对一种或多种甚至冲突的酶靶特性，优化其突变体的选择。

来源：艾迪捷

干货|48V电动增压柴油机性能研究——助力清洁高效柴油机技术开发！

GT-CONFERENCE 2019: FEV“ 为应对即将到来的BS06，电动压气机是一个在不影响性能的情况比较有前途的解决方案；利用所搭建的NOx控制模型还可以实现为满足目标NOx排放浓度的 EGR率的估算。 ” ◆◆目录◆◆ 1.研究背景2.基础模型搭建3.性能仿真结果及分析4.NOx仿真结果及分析5.结论◆◆1.研究背景◆◆ 随着排放法规日益严苛，为应对即将到来的BS06，所有发动机制造商都在寻求降低整体平均排放量的方法，有改善缸内燃烧的、有增设EGR的、有改善后处理装置的等方法。本文将在某款增压柴油机的基础上，研究配备电动压气机对其性能及排放的影响，以及实现对满足目标NOx排放浓度的 EGR率的估算的功能。◆◆2.基础模型搭建◆◆ 2.1发动机基本参数车型：SUV燃料：柴油排量/L：2L功率/kW：120最大扭矩/Nm：382EGR：高压、带冷却增压器：VGT2.2性能参数发动机原机性能参数和性能优化目标如下表：2.3 发动机结构原发动机结构基础上配备电动压气机后的结构如下图：其中旁通阀by-pass用于控制流经电动压气机的空气流量，起性能调节作用。2.4 GT模型根据发动机结构，在GT里面搭建的具体模型如下：◆◆3.性能仿真结果及分析◆◆ 根据基础机型的试验数据对屏蔽电动压气机后基础模型进行标定，精度达标后再进行新方案的能力预测及其与基础机型性能对比分析。3.1外特性仿真结果3.1.1基础性能计算结果根据基础机型的试验数据对基础模型进行标定，精度达标后的基础版外特性性能计算结果如下：3.1.2方案对比在基础版机型配置的基础上分别启动电动压气机和跟换大流量涡轮，计算结果如下：从上面计算结果可以发现，跟换大涡轮后额定工况点的功率从120kW提升到135kW；且电动压气机方案能使最大扭矩对应的转速范围变宽，最大扭矩对应的最低转速降到1250rpm；外特性比油耗BSFC降低，在1000rpm比油耗降低6%，在2000rpm比油耗降低4%。从上面计算结果可以看出在电动压气机的作用下，系统泵气损失减小，充气效率提高，从而显著提高了发动机系统的进气流量，Lambda也显著提高，从而能显著改善碳烟等排放物排放浓度，以减小后处理的压力。从上面计算结果可以看出增压压力提高，从而缸内进气压力提高，增大进气量，发动机动力性得到提升；同时压气机出口温度未超限值，最大缸压也在安全范围内，从而中冷器无需改动。在2000 rpm时压气机功率为7kW。从上面几个图可以看到，增压器运行点的变化导致增压器效率的降低，从而引起BSFC少许的劣化。上图是基础配置状态下发动机外特性的压气机联合运行线，从中可以看出：增压器的喘振裕度足够，但高原运行的能力不足，最高转速限制为174000rpm。上图是启动电动压气机后发动机外特性对应的主压气机联合运行线，从中可以看出：增压器的喘振裕度有所减小，但高原运行的能力充足，且不降低基本性能。上图是启动电动压气机后发动机外特性对应的电动压气机的联合运行线（1000rpm—2000rpm），高转速限制为70000rpm。3.2部分负荷仿真结果上图是转速1500rpm下部分负荷的仿真计算结果，其中Case1：1500rpm（转速）/3bar（BMEP），Case2：1500rpm/6bar。从上面几个图可以看到，相比基础配置状态下的发动机，启动电动压气机后Case1的BSFC降低2.5%，Case2的BSFC降低4.9%。从上面几个图可以看到，相比基础配置状态下的发动机，启动电动压气机后Lambda得到显著提升。其中电动压气机耗功：Case1消耗0.3kW，Case2消耗0.7kW。上图是电动压气机运行点，其中电动压气机极限转速70000rpm。上图是用所搭建的发动机模型分别耦合到P0和P2架构的整车模型后，进行的RDE仿真计算的计算结果，从中可以看出：针对P0架构，电动压气机方案能降低CO2排放约4%，降低NOx排放约15.4%；针对P2架构，电动压气机方案能降低CO2排放约7.05%，降低NOx排放约26.7%。◆◆4.NOx仿真结果及分析◆◆ 4.1NOx控制模型影响NOx的产生及浓度的因素很多，但关键因素如下：燃烧后新生成的NOx浓度（不包含EGR回收部分）计算的经验公式如下：因为转速、负荷、冷却水温、进气温度、轨压、喷油时刻都与发动机性能直接相关，为便于控制模型的搭建，在此忽略除02浓度以外的其他因素对NOx的直接影响，在GT中搭建NOx控制模型原理如下：进行万有特性计算后得到的缸内O2浓度map云图如下：上图是在1500rpm，BMEP = 6bar工况点下计算得到的不同EGR率与相应NOx浓度的关系曲线，从中可以看出：EGR率越高，相应的NOx排放浓度越低；且EGR率超过40%以后，EGR率对NOx排放浓度的影响减小。4.2部分负荷NOx仿真结果Case1：1500rpm/3barCase2：1500rpm/6bar控制功率/扭矩、比油耗在相同状态下，对不同目标NOx浓度进行仿真，计算结果如下:从上面几个图的计算结果可以看到，在Case1工况下，要使NOx浓度下降6%，EGR率预计需增大5%；在Case2工况下，要使NOx浓度下降37%，EGR率预计需增大4%。◆◆5.结论◆◆ 为应对即将到来的BS06，电动压气机是一个在不降低发动机性能的情况比较有前途的解决方案，不仅能显著提高发动机系统进气流量和Lambda系数，从而改善碳烟排放浓度，还能增大额定功率和增大低速扭矩：-额定点功率：+12.5% @3500 rpm-低速扭矩：+69% @1000 rpm-BSFC：-6% @1000 rpm-BSFC：-4% @2000 rpm还对NOx控制模型进行了研究，利用所搭建的NOx控制模型，实现对满足目标NOx排放浓度的 EGR率的估算。来源：艾迪捷