基于数字孪生的水下工程结构智能检测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了基于数字孪生的水下工程结构智能检测方法及系统，其中方法包括：根据水下工程结构的设计方案和实际工况，建立有限元主模型；基于有限元主模型，对水下工程结构进行评估预警，如果评估的结构性能不达标，就发出告警信息，跳转到维修步骤；如果结构性能达标，就根据评估结果生成检测点阵；基于检测点阵，进行水下工程结构的流场检测和结构检测，得到检测数据集；根据检测数据集，对有限元主模型进行更新，重新对水下工程结构进行评估预警。提出了一种建立水下工程结构数字孪生体的方法，基于无人潜航器进行流场的数据采集和结构的无损检测，构建了以有限元主模型为核心的数字孪生系统，实现水下结构性能的监控、评估及预警。及预警。及预警。

【技术实现步骤摘要】
基于数字孪生的水下工程结构智能检测方法及系统


[0001]本专利技术涉及水下探测
，特别是涉及基于数字孪生的水下工程结构智能检测方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提到了与本专利技术相关的
技术介绍
，并不必然构成现有技术。
[0003]水下工程结构广泛应用于内河及海洋水域。由于工作环境复杂，日益大型化、复杂化的水下工程结构不仅建设成本高，而且不易监控、不易维护，因此准确地检测、评估其性能显得尤为重要。通过对结构进行健康检测和损伤诊断，可以对其可能发生的破坏进行预警，以便提前进行维修加固，从而避免可能造成的经济损失及人员伤亡。
[0004]常规的监控手段往往是在结构表面部署传感器，然而传感器一旦部署，无法移动位置，因此难以对结构工作过程中发生的性能变化进行跟踪监测。
[0005]通过无人潜航器，可以对水下工程结构进行全面检测，也可以对焊缝等区域进行局部重点检测。检测得到的数据不能直接用于结构的性能评估及损伤诊断。通过常规的统计方法或机器学习方法建立数学模型缺乏力学原理的支撑，难以精确还原结构的性能变化，其精度与可解释性都难以满足要求。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了基于数字孪生的水下工程结构智能检测方法及系统；本专利技术提出了一种建立水下工程结构数字孪生体的方法，基于无人潜航器进行流场的数据采集和结构的无损检测，构建了以有限元主模型为核心的数字孪生系统，实现水下结构性能的监控、评估及预警。
[0007]第一方面，本专利技术提供了基于数字孪生的水下工程结构智能检测方法；
[0008]基于数字孪生的水下工程结构智能检测方法，包括：
[0009]根据水下工程结构的设计方案和实际工况，建立有限元主模型；
[0010]基于有限元主模型，对水下工程结构进行评估预警，如果评估的结构性能不达标，就发出告警信息，跳转到维修步骤；如果结构性能达标，就根据评估结果生成检测点阵；
[0011]基于检测点阵，进行水下工程结构的流场检测和结构检测，得到检测数据集；
[0012]根据检测数据集，对有限元主模型进行更新，重新对水下工程结构进行评估预警。
[0013]进一步地，所述基于数字孪生的水下工程结构智能检测方法，还包括：
[0014]接收针对告警信息所提交的若干个备选维修方案；
[0015]根据每个备选维修方案，在有限元主模型的基础上，生成有限元副模型；同理，得到若干个有限元副模型；
[0016]对所有的有限元副模型进行计算比对，遴选出最优有限元副模型；按照最优有限元副模型进行水下工程结构的维修；
[0017]维修完成后，利用最优有限元副模型替换有限元主模型，跳转到S102继续执行。
[0018]第二方面，本专利技术提供了基于数字孪生的水下工程结构智能检测装置；
[0019]基于数字孪生的水下工程结构智能检测装置，包括：
[0020]模型建立模块，其被配置为：根据水下工程结构的设计方案和实际工况，建立有限元主模型；
[0021]评估预警模块，其被配置为：基于有限元主模型，对水下工程结构进行评估预警，如果评估的结构性能不达标，就发出告警信息，跳转到维修步骤；如果结构性能达标，就根据评估结果生成检测点阵；
[0022]检测模块，其被配置为：基于检测点阵，进行水下工程结构的流场检测和结构检测，得到检测数据集；
[0023]更新模块，其被配置为：根据检测数据集，对有限元主模型进行更新，返回评估预警模块。
[0024]进一步地，所述基于数字孪生的水下工程结构智能检测装置，还包括：
[0025]接收模块，其被配置为：接收针对告警信息所提交的若干个备选维修方案；
[0026]副模型生成模块，其被配置为：根据每个备选维修方案，在有限元主模型的基础上，生成有限元副模型；同理，得到若干个有限元副模型；
[0027]计算比对模块，其被配置为：对所有的有限元副模型进行计算比对，遴选出最优有限元副模型；按照最优有限元副模型进行水下工程结构的维修；
[0028]替换模块，其被配置为：维修完成后，利用最优有限元副模型替换有限元主模型，跳转到评估预警模块继续执行。
[0029]第三方面，本专利技术还提供了一种电子设备，包括：
[0030]存储器，用于非暂时性存储计算机可读指令；以及
[0031]处理器，用于运行所述计算机可读指令，
[0032]其中，所述计算机可读指令被所述处理器运行时，执行上述第一方面所述的方法。
[0033]第四方面，本专利技术还提供了一种存储介质，非暂时性地存储计算机可读指令，其中，当所述非暂时性计算机可读指令由计算机执行时，执行第一方面所述方法的指令。
[0034]第五方面，本专利技术还提供了基于数字孪生的水下工程结构智能检测系统，包括：无人潜航器和服务器；
[0035]所述服务器，包括：硬件计算平台，所述硬件计算平台上搭载软件环境；
[0036]无人潜航器，采集到的数据传输并存储到硬件计算平台上，用于构建水下工程结构的数字模型；
[0037]硬件计算平台，用于采集数据的存储及软件环境的部署，为水下工程结构数字模型的建立提供基础资源；
[0038]软件环境部署在硬件计算平台上，用于水下工程结构数字模型的构建，包括有限元软件、CFD软件、数学软件、机器学习算法集、异构数据库及对以上软件提供支撑的基础数学库。
[0039]第六方面，本专利技术还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序当在一个或多个处理器上运行的时候用于实现上述第一方面所述的方法。
[0040]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0041](1)基于水下工程结构的真实工作环境，构建了以力学原理为支撑的数字模型。
[0042](2)通过无人潜航器采集流场数据，实现水下工程结构工作环境对其作用的载荷的精确还原，如水流、波浪、潮汐等。
[0043](3)通过无人潜航器对水下工程结构进行无损检测，实现结构状态的精确感知。
[0044](4)基于有限单元法建立了水下工程结构的力学模型，通过静力学校核、动力学损伤评估、疲劳耐久分析等实现了结构性能的综合评估，根据评估结果进行监控和预警。
[0045](5)针对需要维修的水下工程结构，通过有限元模型对维修方案进行评估，验证方案的可行性，并对维修方案进行对比。
[0046](6)本专利技术提高了水下工程结构性能评估和失效预警的精确性，从而可以更好地避免结构破坏可能带来的经济损失及人员伤亡。首先，通过无人潜航器采集到的数据更全面、更精确，能够更完整地还原结构受到的环境载荷及服役过程中的损伤情况。其次，基于力学原理建立的数字模型从机理上保证了评估结果的准确性。
[0047]本专利技术通过对水下工程结构的维修方案进行对比，为维修决策提供了数据支撑，从而帮助节省决策时间、提高维修质量、延长结构寿命。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于数字孪生的水下工程结构智能检测方法，其特征是，包括：根据水下工程结构的设计方案和实际工况，建立有限元主模型；基于有限元主模型，对水下工程结构进行评估预警，如果评估的结构性能不达标，就发出告警信息，跳转到维修步骤；如果结构性能达标，就根据评估结果生成检测点阵；基于检测点阵，进行水下工程结构的流场检测和结构检测，得到检测数据集；根据检测数据集，对有限元主模型进行更新，重新对水下工程结构进行评估预警。2.如权利要求1所述的基于数字孪生的水下工程结构智能检测方法，其特征是，所述方法还包括：接收针对告警信息所提交的若干个备选维修方案；根据每个备选维修方案，在有限元主模型的基础上，生成有限元副模型；同理，得到若干个有限元副模型；对所有的有限元副模型进行计算比对，遴选出最优有限元副模型；按照最优有限元副模型进行水下工程结构的维修；维修完成后，利用最优有限元副模型替换有限元主模型，重新对水下工程结构进行评估预警。3.如权利要求1所述的基于数字孪生的水下工程结构智能检测方法，其特征是，所述有限元主模型，包括：各零部件的有限元网格、零部件之间的连接关系、结构的边界条件、各零部件的材料属性、分析类型及分析参数；所述检测点阵，包括：流场检测点坐标、流场检测类型、结构检测点坐标和结构检测点类型；检测数据集，包括：流场数据集和结构数据集；其中，流场数据集，包括：流速、压力；结构数据集，包括：结构变形、损伤。4.如权利要求1所述的基于数字孪生的水下工程结构智能检测方法，其特征是，基于有限元主模型，对水下工程结构进行评估预警；其中采用的评估预警方式，包括：静力学校核、动力学损伤评估和疲劳耐久分析。5.如权利要求1所述的基于数字孪生的水下工程结构智能检测方法，其特征是，根据检测数据集，对有限元主模型进行更新；具体包括：根据流场数据集，建立流体动力学模型，计算出水流对水下工程结构的作用力；根据作用力，对有限元主模型中载荷边界条件进行更新；根据结构数据集，更新有限元主模型中零部件网格以及零部件之间的连接关系。6.基于数字孪生的水下工程结构智能检测装置，其特征是，包括：模型建立模块，其被配置为：根据水下工...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭猛，仲红俊，霍吉东，潘景山，武鲁，
申请(专利权)人：山东省计算中心国家超级计算济南中心，
类型：发明
国别省市：