[發明專利]一種基于數字孿生的旋耕刀優化設計方法

有效

• 申請號: 202010915537.6
• 申請日: 2020-09-03
• 公開（公告）號: CN112001093B
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發明（設計）人: 許靜;熊祥盛;陳平錄;劉木華
• 申請（專利權）人: 江西農業大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/17
• 代理公司: 南昌新天下專利商標代理有限公司 36115
• 代理人: 施秀瑾

一種基于數字孿生的旋耕刀優化設計方法，首先構建物理空間、虛擬空間、信息空間及服務空間，四個空間相互映射，相互耦合，由物理空間對旋耕刀的全生命周期進行監控，而后在虛擬空間對物理空間采集的信息進行處理后，由信息空間生成孿生數據，通過孿生數據驅動服務空間，實現對旋耕刀相關參數的動態優化設計，從而能夠更加全面、更加系統地解決旋耕刀優化設計經驗化、設計周期長、設計成本高的問題。

技術領域

本發明涉及機械裝備優化設計技術領域，尤其涉及一種基于數字孿生的旋耕刀優化設計方法。

背景技術

旋耕刀是旋耕機的關鍵零部件之一，是耕作過程中土壤切削行為的承擔者。高速旋轉的旋耕刀片通過切削土壤以完成翻土、碎土、平整土地及除草等一系列工作。由于土壤中往往含有植物根莖、石塊等障礙物且土壤物理性質復雜，高速旋轉的旋耕刀不僅承受著復雜的外力、力矩及各種沖擊載荷，此外旋耕刀還易出現自身的振動、與系統共振等現象，故其應力應變狀態非常復雜。因此如何實現采集旋耕刀的全生命周期信息，同時對耕作過程中旋耕刀工作狀態及土壤變化進行監控，并以此為基礎對耕作過程進行仿真模擬，從多維度、多尺度對耕作過程進行描述，均對旋耕刀的優化設計服務有著重要影響。

數字孿生技術是實現信息物理融合的關鍵使能技術之一，已經逐漸被學術界廣泛認可和研究，并在諸多領域成功落地應用。同時數字孿生的五維模型包含物理實體、虛擬模型、孿生數據、連接、服務，可以從多維度、多時間尺度、多空間尺度來描述物理實體在真實環境的變化，因此如何將數字孿生技術應用于旋耕刀優化設計領域，進而系統采集旋耕刀的全生命周期信息，實現物理信息融合，以對旋耕刀相關參數進行優化設計已經成為本領域亟待解決的技術問題。

發明內容

本發明所解決的技術問題在于提供一種基于數字孿生的旋耕刀優化設計方法，以解決上述背景技術中的問題。

本發明所解決的技術問題采用以下技術方案來實現：

一種基于數字孿生的旋耕刀優化設計方法，首先構建物理空間、虛擬空間、信息空間及服務空間，而后在虛擬空間對物理空間采集的信息進行處理后，由信息空間生成孿生數據，通過孿生數據驅動服務空間，實現對旋耕刀相關參數的動態優化設計，具體步驟如下：

1)實時獲取旋耕刀的全生命周期數據

物理空間用于采集不同類型旋耕刀的設計數據，并對旋耕刀的整個生命周期中不同用戶的需求進行采集，同時在實際農業耕作過程中，通過傳感器模塊實時監測旋耕刀的工作狀況和土壤變化情況，并根據實際的耕作效果，建立合理的耕作指標；

2)對獲取的數據進行處理

虛擬空間是物理空間的鏡像，用于對物理空間采集的數據進行整理、分析、拓展，且根據步驟1)采集的不同類型旋耕刀設計數據建立旋耕刀數據庫，并對用戶的需求信息進一步進行分析總結，再根據實時采集的數據建立高逼真度仿真模型，并基于實際耕作過程和仿真過程歸納總結建立旋耕刀行為規則庫；

3)生成孿生數據

信息空間用于存儲處理物理空間、虛擬空間及服務空間的信息，所有信息均實時傳輸至信息空間，信息空間對實時信息進行整理、分析、融合，從而生成孿生數據，同時孿生數據實時與其它空間交互；

4)建立虛擬仿真模型，對旋耕刀進行性能評估

服務空間由信息空間的孿生數據驅動，從而獲得旋耕刀初始參數集，通過試驗設計獲得重要的參數集，而后通過算法對參數集進行尋優，并對尋優結果進行驗證分析，驗證分析通過后，根據尋優結果建立虛擬仿真模型，最后結合旋耕刀的行為規則對旋耕刀進行性能評估，以實現對旋耕刀相關參數的動態優化設計。

在本發明中，所述物理空間實時獲取旋耕刀的全生命周期數據具體流程如下：