航空发动机转子系统的数字孪生体建模方法及数字孪生体技术方案

本发明专利技术公开了航空发动机转子系统的数字孪生体建模方法及数字孪生体，涉及发动机转子系统技术领域，包括：通过有限单元法建立转子系统的数字孪生体；利用模型缩减方法对数字孪生体进行模型缩减；模型缩减方法为固定界面模态综合法，通过获取全约束转子系统有限元模型的主模态并截取低阶模态实现模型缩减；对数字孪生体的振动信号进行仿真计算；获取物理实体实时监测的位置，对比该位置的仿真振动信号与实测振动信号，分析计算二者误差，基于误差对数字孪生体的载荷参数与支承参数进行实时修正，使仿真信号与实测信号达到高度一致。本发明专利技术通过模型缩减方法降低模型自由度，提高计算分析效率，保证交互映射的实时性。保证交互映射的实时性。保证交互映射的实时性。

【技术实现步骤摘要】
航空发动机转子系统的数字孪生体建模方法及数字孪生体


[0001]本专利技术涉及发动机转子系统
，特别是涉及一种航空发动机转子系统的实时交互的数字孪生体建模方法及数字孪生体。

技术介绍

[0002]航空发动机转子系统结构复杂、载荷多变、工况恶劣、非线性因素众多，其振动行为复杂，并引起不同程度的转子故障，但航空发动机转子系统的全部振动行为尚不明确。理论解析难以准确反映航空发动机转子系统的振动特征，数值仿真只能实现单一工况下的计算，无法实时监测转子的振动行为，且计算的准确性也难以保证。试验研究存在周期长、成本高、风险大等因素的限制。针对此问题，数字孪生体可以实时反映航空发动机转子系统物理实体的振动行为，可用于进行实时状态监测与故障预警。此外，数字孪生体与物理实体的实时数据交互，可保证数字孪生体的准确性。
[0003]数字孪生技术要求数字孪生体实时地反映物理实体的行为特征，以实现实时状态监测与故障行为预警。然而，航空发动机转子系统结构复杂、自由度多，导致数字孪生体的计算成本高昂，难以保证数字孪生体与物理实体之间交互映射的实时性。数字孪生体与物理实体的实时交互若不能保障，将导致数字孪生体无法实时接收物理实体的振动信号，进而严重影响数字孪生体的建模精度，也无法实现实时状态监测。因此，数字孪生体的实时交互映射建模具有重要的科学与实际意义。
[0004]目前已有的转子系统数字孪生体建模方法给出了一些建模方案，虽然能够建立转子系统数字孪生体，但是往往需要引入庞大的计算量，导致数字孪生体计算时长大幅增加，严重影响了数字孪生体与物理实体的实时交互，而未给出保证交互实时性的具体方案，且建立的孪生模型较为复杂，难以实现数字孪生体与物理实体的实时交互，严重影响数字孪生体的准确性。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种航空发动机转子系统的数字孪生体建模方法及数字孪生体。针对航空发动机转子系统结构复杂、自由度多的问题，给出基于模型缩减的数字孪生体建模方法，通过模型缩减方法降低模型自由度，提高计算分析效率，保证交互映射的实时性。建立保证转子系统振动行为实时交互映射的数字孪生体，实现转子系统数字孪生体与物理实体的实时交互映射，进而提高数字孪生体的建模精度，实现实时状态监测。
[0006]为此，本专利技术提供了以下技术方案：
[0007]一方面，本专利技术提供了一种航空发动机转子系统的数字孪生体建模方法，所述方法包括：
[0008]获取转子系统几何尺寸参数、材料参数、载荷参数以及工作转速；
[0009]基于所述转子系统的几何尺寸参数、材料参数、载荷参数以及工作转速通过有限单元法建立转子系统的数字孪生体；
[0010]利用固定界面模态综合法对数字孪生体进行模型缩减；所述固定界面模态综合法通过获取全约束转子系统有限元模型的主模态并截取低阶模态实现模型缩减；
[0011]对模型缩减后的数字孪生体的振动信号进行仿真计算，得到仿真振动信号。
[0012]进一步地，还包括：
[0013]对转子系统物理实体运行过程中的振动信号进行实时监测，得到实测振动信号，所述实测振动信号包括振动位移、速度以及加速度；
[0014]获取物理实体实时监测的位置，对比该位置的仿真振动信号与实测振动信号，分析计算二者之间的误差，基于误差对数字孪生体的载荷参数与支承参数进行实时修正，使仿真信号与实测信号达到一致。
[0015]进一步地，所述实测振动信号通过电涡流位移传感器与加速度传感器获得。
[0016]进一步地，获取转子系统几何尺寸参数、材料参数、载荷参数，包括：
[0017]从转子系统的几何图纸或三维模型中获得几何尺寸参数；
[0018]从转轴、转盘所用材料的牌号中获得材料参数；
[0019]根据影响系数法获得载荷参数。
[0020]进一步地，数字孪生模型中包括滚动轴承非线性因素、组合支承非线性因素与连接结构的时变刚度特性。
[0021]进一步地，滚动轴承非线性因素通过赫兹接触理论与弹性力学推导以及有限元法获得。
[0022]进一步地，利用固定界面模态综合法对数字孪生体进行模型缩减，包括：
[0023]当支承为正常刚度时，提取刚度K、质量M矩阵；计算得到约束模态矩阵；
[0024]当支承为全约束时，进行模态分析，计算得到主模态矩阵；
[0025]基于所述主模态矩阵和所述约束模态矩阵得到坐标变换矩阵；
[0026]利用所述坐标变换矩阵得到转子系统维数缩减后的振动方程。
[0027]又一方面，本专利技术还提供了一种利用上述发动机转子系统的数字孪生体建模方法构建的航空发动机转子系统实时交互的数字孪生体。
[0028]又一方面，本专利技术还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质内存储有计算机指令集，计算机指令集被处理器执行时实现如上述航空发动机转子系统的数字孪生体建模方法。
[0029]本专利技术的优点和积极效果：
[0030]1、本专利技术提出了保证数字孪生体与物理实体实时交互的具体方案，即融合模型缩减方法与数字孪生体建模方法，缩短计算时间，实现实时状态监测。
[0031]2、本专利技术中，在实现数字孪生体与物理实体实时交互后，数字孪生体的数据修正与更新的频率大幅增加，提高了数字孪生体的准确性，也提高了实时状态监测的准确性。
[0032]3、航空发动机转子系统整机振动试验的测量位置有限、采集的数据匮乏，物理实体的振动信号采集位置有限，本专利技术中将数字孪生体与物理实体的振动信号进行对应位置的修正，数字孪生体其他位置的振动信号可以最大程度还原物理实体难测位置的振动信号。
附图说明
[0033]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]图1为本专利技术实施例中航空发动机转子系统的数字孪生体建模方法的流程图；
[0035]图2为本专利技术实施例中模型缩减建模的流程图；
[0036]图3为本专利技术实施例中转子系统示意图；
[0037]图4为本专利技术实施例中有限元模态缩减模型的时域与频谱图；
[0038]图5为本专利技术实施例中未缩减有限元法建模的时域与频谱图。
具体实施方式
[0039]本专利技术提供一种发动机转子系统的数字孪生体建模方法及数字孪生体，给出了具体的保证数字孪生体与物理实体的实时交互方法，即结合模型缩减方法与数字孪生体建模方法，能够提高计算求解效率，缩短计算时间。
[0040]为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种航空发动机转子系统的数字孪生体建模方法，其特征在于，所述方法包括：获取转子系统几何尺寸参数、材料参数、载荷参数以及工作转速；基于所述转子系统的几何尺寸参数、材料参数、载荷参数以及工作转速通过有限单元法建立转子系统的数字孪生体；利用固定界面模态综合法对数字孪生体进行模型缩减；所述固定界面模态综合法通过获取全约束转子系统有限元模型的主模态并截取低阶模态实现模型缩减；对模型缩减后的数字孪生体的振动信号进行仿真计算，得到仿真振动信号。2.根据权利要求1所述的一种航空发动机转子系统的数字孪生体建模方法，其特征在于，还包括：对转子系统物理实体运行过程中的振动信号进行实时监测，得到实测振动信号，所述实测振动信号包括振动位移、速度以及加速度；获取物理实体实时监测的位置，对比该位置的仿真振动信号与实测振动信号，分析计算二者之间的误差，基于误差对数字孪生体的载荷参数与支承参数进行实时修正，使仿真信号与实测信号达到一致。3.根据权利要求2所述的一种航空发动机转子系统的数字孪生体建模方法，其特征在于，所述实测振动信号通过电涡流位移传感器与加速度传感器获得。4.根据权利要求1所述的一种航空发动机转子系统的数字孪生体建模方法，其特征在于，获取转子系统几何尺寸参数、材料参数、载荷参数，包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗忠，李雷，崔泽文，周吉来，
申请(专利权)人：东北大学佛山研究生院，
类型：发明
国别省市：