CN116227125A - 一种基于数字孪生的行星齿轮箱管理***和建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字孪生的行星齿轮箱管理***和建模方法，包括虚拟***、现实***，虚拟***利用现实***中行星齿轮箱实际运行数据对构建的数字孪生模型进行修正，通过虚‑实***信号响应、关联关系及数据特征融合的分析机制，构建行星齿轮箱数字孪生体。本发明融合物理信息和数据信息构建行星齿轮箱高保真数字孪生体，完成数字孪生驱动的行星齿轮箱健康管理***的搭建，实现行星齿轮箱运行状态的实时在线监测及剩余使用寿命的动态预测，保障行星齿轮箱***高效、安全、精准运行。
Description
技术领域
本发明专利属于管道故障检测和诊断领域，具体涉及一种基于数字孪生的行星齿轮箱管理***和建模方法。
背景技术
行星齿轮箱作为机械传动***的关键零部件，广泛应用于航空、风电及高铁等领域。但因其服役环境恶劣、工况条件复杂，尽管进行定期的维护和检查，还是会不可避免的出现不可预知的失效。行星齿轮箱失效轻则降低机械设备的工作性能，重则造成设备的整体破坏，带来巨大的经济损失和人员伤亡。行星齿轮箱虽具有传动效率高、结构紧凑、运行平稳等特点，但现有的行星齿轮箱健康管理***多存在以下问题：
1、传统的机械设备预测性维护模型大多都是基于假设工况构建的，模型较为单一且准确性差，无法实时地在线反映设备实际工况和性能的动态变化；
2、由于机械装备受到时间、空间、执行成本等多方面的约束，传统的管理方法难以对其故障情况进行实时在线诊断，容易造成设备健康状态更新不及时、设备故障误诊或漏诊等问题，进而影响设备运行效率及人员安全。
为了解决上述问题，本文提出一种基于数字孪生的行星齿轮箱管理***和建模方法。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明设计了一种基于数字孪生的行星齿轮箱管理***和建模方法，融合物理信息和数据信息构建行星齿轮箱高保真数字孪生体，完成数字孪生驱动的行星齿轮箱健康管理***的搭建，实现行星齿轮箱运行状态的实时在线监测及剩余使用寿命的动态预测，保障行星齿轮箱***高效、安全、精准运行。
为了达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现的：一种基于数字孪生的行星齿轮箱管理***，包括虚拟***、现实***，虚拟***利用现实***中行星齿轮箱实际运行数据对构建的数字孪生模型进行修正，通过虚-实***信号响应、关联关系及数据特征融合的分析机制，构建行星齿轮箱数字孪生体；
所述的现实***还包括行星齿轮箱实际工作条件、实际运行信息、运行过程传感数据；
所述的虚拟***还包括数字孪生体、状态监控模块、运行管理模块；
所述的数字孪生体用于反映行星齿轮箱的运行状态及性能退化趋势；
所述的状态监控模块用于对行星齿轮箱进行模拟、实时监控、仿真；
所述的运行管理模块包括：新建运行任务单元、运行数据记录与导出单元、历史数据查询单元；用于新建运行任务、运行数据记录与导出、历史数据查询。
进一步地，所述的行星齿轮箱物理实体包括：齿轮箱壳体、行星架、行星轮、太阳轮、输入轴、输出轴。
进一步地，所述的数字孪生体，包括几何模型、物理模型、行为模型、规则模型，是通过获取行星齿轮箱实体的形状结构、物理属性、行为响应、知识规则建立的，从上述四个模型内分别提取行星齿轮箱的几何特征、材料参数、运行数据及约束数据进行模型的动态耦合交互，初步构建行星齿轮箱的数字孪生模型；
进一步地，所述的状态监控模块还包括：虚拟界面交互单元、实时运行状态监控单元、实时运动仿真单元；
所述的虚拟界面交互单元可以实时观测行星齿轮箱模型；
所述的实时运行状态监控单元用于对行星齿轮箱进行观测分析和预测仿真；
所述的实时运动仿真单元利用采集到的实时数据实现孪生模型与物理实体间的实时映射。
进一步地，所述虚拟界面交互单元，其特征在于：包括虚拟漫游模块和可视化模型模块，所述虚拟界面交互单元可以通过鼠标点击模型部件显示其实时信息并放大观测实时运动过程，同时通过调整场景中的观察位置进入行星齿轮箱模型内部，对行星齿轮箱模型内部结构进行观察。
进一步地，所述的实时运行状态监控单元，包括：数据采集模块和数据分析模块，数据采集模块包含静态数据采集单元、动态数据采集单元、数据预处理单元，数据分析模块包含状态分析单元和优化分析单元；所述实时运行状态监控单元根据采集到的实时数据和孪生数据对行星齿轮箱进行运行状态分析，获得行星齿轮箱的运行状态数据，并根据运行状态数据对行星齿轮箱进行故障预测，得到行星齿轮箱故障预测信息，同时可根据孪生数据对行星齿轮箱进行实时运行状态过程分析与优化，提高行星齿轮箱运行效率。
进一步地，所述实时运动仿真单元，其特征在于：包括信息提取模块和数字孪生模块，所述实时运动仿真单元根据物理装备的运动驱动孪生模型运动，利用采集到的实时数据实现孪生模型与物理实体间的实时映射。
上述进一步地，所述的一种基于数字孪生的行星齿轮箱的建模方法，具体包括以下步骤：
S1通过获取行星齿轮箱实体提取几何特征、材料参数、运行数据及约束数据进行模型的动态耦合交互，初步构建行星齿轮箱的数字孪生模型；
S2、数字孪生模型通过传感器实时监测行星齿轮箱的运行数据并进行数据预处理；
S3、将预处理后的运行数据实时输入到所述数字孪生模型中，并利用所述数字孪生模型对行星齿轮箱的输出数据进行仿真计算，得到行星齿轮箱数字孪生模型的仿真数据；
S4、将所得仿真数据与对应时间间隔内的运行数据进行比较，根据准则函数对所述数字孪生模型进行参数调整和修正，直到获得实时同步的行星齿轮箱数字孪生模型。
本发明的有益效果是：
实现行星齿轮箱运行参数的实时在线监测及自动更新，弥补了传统模型准确性差及模型过于单一的问题，提升了模型的实时性与高保真性；
实现行星齿轮箱故障情况的在线诊断及剩余使用寿命的动态预测，对行星齿轮箱的运行状态进行在线分析，并实时地评估其健康状态，保证其始终工作在健康状态，提升***工作效率；***可视化界面提供了直观便捷的人机交互终端，实时地反映了行星齿轮箱***运行状态及健康状态，便于操作人员监测行星齿轮箱***运行情况，保障***安全运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的一种基于数字孪生的行星齿轮箱管理***示意图；
图2为本发明所述的行星齿轮箱数字孪生模型建模步骤示意图；
图3为本发明所述的行星齿轮箱数字孪生模型示意图；
图4为本发明所述的一种基于数字孪生的行星齿轮箱管理***监控平台示意图；
图5为本发明所述的运行状态监控模块示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1至图5所示，一种基于数字孪生的行星齿轮箱健康管理***，包括虚拟***、现实***，虚拟***利用现实***中行星齿轮箱实际运行数据对构建的数字孪生模型进行修正，通过虚-实***信号响应、关联关系及数据特征融合的分析机制，构建行星齿轮箱数字孪生体；所述的现实***还包括行星齿轮箱实际工作条件、实际运行信息、运行过程传感数据；所述的虚拟***还包括数字孪生体、状态监控模块、运行管理模块；所述的数字孪生体用于反映行星齿轮箱的运行状态及性能退化趋势；所述的状态监控模块用于对行星齿轮箱进行模拟、实时监控、仿真；所述的运行管理模块包括：新建运行任务单元、运行数据记录与导出单元、历史数据查询单元；用于新建运行任务、运行数据记录与导出、历史数据查询。
前述的行星齿轮箱物理实体包括：齿轮箱壳体、行星架、行星轮、太阳轮、输入轴、输出轴。
前述的数字孪生体，包括几何模型、物理模型、行为模型、规则模型，是通过获取行星齿轮箱实体的形状结构、物理属性、行为响应、知识规则建立的，从上述四个模型内分别提取行星齿轮箱的几何特征、材料参数、运行数据及约束数据进行模型的动态耦合交互，初步构建行星齿轮箱的数字孪生模型；
前述的状态监控模块还包括：虚拟界面交互单元、实时运行状态监控单元、实时运动仿真单元；所述的虚拟界面交互单元可以实时观测行星齿轮箱模型；所述的实时运行状态监控单元用于对行星齿轮箱进行观测分析和预测仿真；所述的实时运动仿真单元利用采集到的实时数据实现孪生模型与物理实体间的实时映射。
前述的虚拟界面交互单元，其特征在于：包括虚拟漫游模块和可视化模型模块，所述虚拟界面交互单元可以通过鼠标点击模型部件显示其实时信息并放大观测实时运动过程，同时通过调整场景中的观察位置进入行星齿轮箱模型内部，对行星齿轮箱模型内部结构进行观察。
前述的实时运行状态监控单元，包括：数据采集模块和数据分析模块，数据采集模块包含静态数据采集单元、动态数据采集单元、数据预处理单元，数据分析模块包含状态分析单元和优化分析单元；所述实时运行状态监控单元根据采集到的实时数据和孪生数据对行星齿轮箱进行运行状态分析，获得行星齿轮箱的运行状态数据，并根据运行状态数据对行星齿轮箱进行故障预测，得到行星齿轮箱故障预测信息，同时可根据孪生数据对行星齿轮箱进行实时运行状态过程分析与优化，提高行星齿轮箱运行效率；
前述的实时运动仿真单元，其特征在于：包括信息提取模块和数字孪生模块，所述实时运动仿真单元根据物理装备的运动驱动孪生模型运动，利用采集到的实时数据实现孪生模型与物理实体间的实时映射。
实现行星齿轮箱故障情况的在线诊断及剩余使用寿命的动态预测，对行星齿轮箱的运行状态进行在线分析，并实时地评估其健康状态，保证其始终工作在健康状态，提升***工作效率；***可视化界面提供了直观便捷的人机交互终端，实时地反映了行星齿轮箱***运行状态及健康状态，便于操作人员监测行星齿轮箱***运行情况，保障***安全运行。
实施例2
如图1至图5所示，本发明公开了基于数字孪生的行星齿轮箱的建模方法，具体包括以下步骤：
S1、通过获取行星齿轮箱实体提取几何特征、材料参数、运行数据及约束数据进行模型的动态耦合交互，初步构建行星齿轮箱的数字孪生模型；
S2、数字孪生模型通过传感器实时监测行星齿轮箱的运行数据并进行数据预处理；
S3、将预处理后的运行数据实时输入到所述数字孪生模型中，并利用所述数字孪生模型对行星齿轮箱的输出数据进行仿真计算，得到行星齿轮箱数字孪生模型的仿真数据；
S4、将所得仿真数据与对应时间间隔内的运行数据进行比较，根据准则函数对所述数字孪生模型进行参数调整和修正，直到获得实时同步的行星齿轮箱数字孪生模型。
实现行星齿轮箱运行参数的实时在线监测及自动更新，弥补了传统模型准确性差及模型过于单一的问题，提升了模型的实时性与高保真性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (8)
1.一种基于数字孪生的行星齿轮箱管理***，其特征在于：包括虚拟***、现实***，所述的虚拟***利用现实***中行星齿轮箱实际运行数据对构建的数字孪生模型进行修正，通过虚-实***信号响应、关联关系及数据特征融合的分析机制，构建行星齿轮箱数字孪生体；
所述的现实***还包括行星齿轮箱实际工作条件、实际运行信息、运行过程传感数据；
所述的虚拟***还包括数字孪生体、状态监控模块、运行管理模块；
所述的数字孪生体用于反映行星齿轮箱的运行状态及性能退化趋势；
所述的状态监控模块用于对行星齿轮箱进行模拟、实时监控、仿真；
所述的运行管理模块包括：新建运行任务单元、运行数据记录与导出单元、历史数据查询单元；用于新建运行任务、运行数据记录与导出、历史数据查询。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的行星齿轮箱管理***，其特征在于：所述的行星齿轮箱物理实体包括：齿轮箱壳体、行星架、行星轮、太阳轮、输入轴、输出轴。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的行星齿轮箱管理***，其特征在于：所述的数字孪生体，包括几何模型、物理模型、行为模型、规则模型，是通过获取行星齿轮箱实体的形状结构、物理属性、行为响应、知识规则建立的，从上述四个模型内分别提取行星齿轮箱的几何特征、材料参数、运行数据及约束数据进行模型的动态耦合交互，初步构建行星齿轮箱的数字孪生模型。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的行星齿轮箱管理***，其特征在于：所述的状态监控模块还包括：虚拟界面交互单元、实时运行状态监控单元、实时运动仿真单元；
所述的虚拟界面交互单元可以实时观测行星齿轮箱模型；
所述的实时运行状态监控单元用于对行星齿轮箱进行观测分析和预测仿真；
所述的实时运动仿真单元利用采集到的实时数据实现孪生模型与物理实体间的实时映射。
5.根据权利要求4所述的一种基于数字孪生的行星齿轮箱管理***，其特征在于：所述的虚拟界面交互单元，其特征在于：包括虚拟漫游模块和可视化模型模块，所述虚拟界面交互单元可以通过鼠标点击模型部件显示其实时信息并放大观测实时运动过程，同时通过调整场景中的观察位置进入行星齿轮箱模型内部，对行星齿轮箱模型内部结构进行观察。
6.根据权利要求4所述的一种基于数字孪生的行星齿轮箱管理***，其特征在于：所述的实时运行状态监控单元，包括：数据采集模块和数据分析模块，数据采集模块包含静态数据采集单元、动态数据采集单元、数据预处理单元，数据分析模块包含状态分析单元和优化分析单元；所述实时运行状态监控单元根据采集到的实时数据和孪生数据对行星齿轮箱进行运行状态分析，获得行星齿轮箱的运行状态数据，并根据运行状态数据对行星齿轮箱进行故障预测，得到行星齿轮箱故障预测信息，同时可根据孪生数据对行星齿轮箱进行实时运行状态过程分析与优化。
7.根据权利要求4所述的一种基于数字孪生的行星齿轮箱管理***，其特征在于：所述的实时运动仿真单元，其特征在于：包括信息提取模块和数字孪生模块，所述实时运动仿真单元根据物理装备的运动驱动孪生模型运动，利用采集到的实时数据实现孪生模型与物理实体间的实时映射。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的一种基于数字孪生的行星齿轮箱的建模方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、通过获取行星齿轮箱实体提取几何特征、材料参数、运行数据及约束数据进行模型的动态耦合交互，初步构建行星齿轮箱的数字孪生模型；
S2、数字孪生模型通过传感器实时监测行星齿轮箱的运行数据并进行数据预处理；
S3、将预处理后的运行数据实时输入到所述数字孪生模型中，并利用所述数字孪生模型对行星齿轮箱的输出数据进行仿真计算，得到行星齿轮箱数字孪生模型的仿真数据；
S4、将所得仿真数据与对应时间间隔内的运行数据进行比较，根据准则函数对所述数字孪生模型进行参数调整和修正，直到获得实时同步的行星齿轮箱数字孪生模型。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117850539A (zh) * | 2023-12-26 | 2024-04-09 | 杭州铬络科技有限公司 | 基于数字孪生的时间同步方法、轨道交通管理方法及*** |
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2022
- 2022-12-06 CN CN202211559166.8A patent/CN116227125A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117850539A (zh) * | 2023-12-26 | 2024-04-09 | 杭州铬络科技有限公司 | 基于数字孪生的时间同步方法、轨道交通管理方法及*** |
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