[發明專利]基于數字孿生的機械設備零部件結構參數動態優化方法

有效

• 申請號: 201910261337.0
• 申請日: 2019-04-02
• 公開（公告）號: CN110045608B
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發明（設計）人: 丁華;楊亮亮;王義亮;高俊光;盧川川
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 太原晉科知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14110
• 代理人: 任林芳

本發明公開了一種基于數字孿生的機械設備零部件結構參數動態優化方法，通過構建高保真模型，在虛擬空間實現物理空間對應設備的數字化鏡像，方便后期結構參數修改和超寫實仿真；通過進行超寫實仿真，在虛擬空間實時動態的同步反映物理空間對應實體的狀態，在虛擬空間實現物理設備真實情況的寫實運動；同時利用深度學習理論，構建神經網絡結構，借助其強大的數字挖掘和映射能力，挖掘建立結構參數和疲勞壽命之間的關系，通過結合高保真模型和超寫實仿真環境，實現結構參數的動態優化。通過本發明，實現虛擬空間對物理空間的結構參數的動態優化與反向指導，提高了優化效率和真實性。

技術領域

本發明涉及深度學習領域，特別是涉及一種基于數字孿生的機械設備零部件結構參數動態優化方法。

背景技術

數字孿生為虛擬空間和物理空間的實時交互與雙向連接提供了重要的理論依據和技術支撐，近幾年在理論和應用層面均取得了快速發展，目前數字孿生技術被應用于航天設備和車間生產控制。對于通用機械這種工作環境復雜，條件多變的大型設備，其關鍵零部件結構參數優化手段落后，基本停留在經驗設計、參數靜態仿真設計，無法對實際運行情況進行高逼真度模擬仿真，這使得對真實工作面環境中機械設備零部件結構參數的優化準確性差、效率低、智能化程度滯后。在結構參數設計階段，很少考慮到設備的實際工作環境。而機械設備的實際工作條件多變，存在諸多的不確定因素，因此，對機械設備關鍵零部件的結構參數設計，更應該實時動態的考慮其實際工作環境的影響。現有機械設備零部件結構參數優化手段落后，優化效率低，真實性有待提升，對于復雜工況條件下的零部件關鍵結構參數優化困難。

發明內容

本發明的目的是為解決上述現有技術的不足之處而提供一種基于數字孿生的機械設備零部件結構參數動態優化方法。

為解決上述技術問題，本發明采用的一個技術方案是：提供一種基于數字孿生的機械設備零部件結構參數動態優化方法，包括：

構建機械設備全部或部分結構的三維模型，研究三維模型動力學與運動狀態的關聯性，確定反映運動狀態的參數，并根據參數分析確定機械設備全部或部分結構中所需的傳感器類型及安裝位置，按照分析結果在物理空間物理實體中布置傳感器，通過傳感器監測數據驅動虛擬空間參數更新，完成高保真建模；

依據物理實體的歷史監測數據及物理空間傳感器實時更新的監測數據，進行超寫實仿真，獲取高保真三維模型零件結構參數與對應疲勞壽命數據集作為數據分析樣本；

構建深度卷積神經網絡模型，用高保真三維模型零件結構參數與對應的疲勞壽命數據樣本集訓練模型，保存訓練好的模型；

將目標疲勞壽命數據作為預測模型的輸入，通過傳感器實時監測數據動態更新虛擬空間參數和預測模型動態訓練，得到動態優化后的零部件結構參數。

其中，在進行高保真建模的步驟中，包括步驟：

依據物理空間機械設備零部件結構的受力大小、力的類型、結構、工作時的姿態，輪廓尺寸、相對位置信息，用三維軟件構建機械設備零部件結構的三維模型；

導入ANSYS軟件中進行動力學分析，研究動力學與運動狀態的關聯性，確定反映運動狀態的關鍵參數，其中，反映運動狀態的關鍵參數至少包括應變、振型、節點位移、節點位置；

依據得到的關鍵參數布置需要的傳感器的類型，以及傳感器在機械設備零部件結構位置的布置；依據物理空間機械設備零部件結構的材料類型、幾何尺寸，利用UG參數化建模在虛擬空間構建機械設備零部件結構的三維模型，實現高保真建模。

其中，所述傳感器類型至少包括加速度、溫度傳感器和力傳感器。

其中，傳感器布置在機械設備零部件結構上應變大的位置。

其中，通過VR技術獲得的機械設備零部件結構物理空間多物理參數，其中，機械設備零部件結構的物理空間多物理參數至少包括受力、速度、振動、溫度、環境溫度、位置參數。