一种齿轮传动系统数字孪生模型虚实数据镜像更新方法技术方案

本发明专利技术公开了一种齿轮传动系统数字孪生模型虚实数据镜像更新方法，包括：简化齿轮传动系统使用牛顿第二定律建立齿轮传动系统动力学微分方程；对齿轮传动系统系统动力学微分方程求解，得到不同工况下的振动加速度响应；采集具有相同齿轮参数的齿轮传动系统轴承端盖上的振动加速度信号，并对信号进行快速傅里叶变换处理和分析；确定更新参数的类型与数量，构建齿轮传动系统仿真虚拟模型镜像更新的多参数最优化目标函数；使用粒子群算法对最优化目标函数进行求解，对仿真虚拟模型进行更新。本发明专利技术对仿真虚拟模型的更新具有一定的求解精度，还可从求解过程与求解结果中分析仿真虚拟模型与实际物理模型虚实数据镜像更新的关键参数。关键参数。关键参数。

【技术实现步骤摘要】
一种齿轮传动系统数字孪生模型虚实数据镜像更新方法


[0001]本专利技术属于旋转机械数字孪生应用研究领域，具体涉及一种齿轮传动系统数字孪生模型虚实数据镜像更新方法。

技术介绍

[0002]数字孪生不仅可以用来进行系统的建模与系统开发的仿真，来帮助设计或验证系统属性，还可以对运营与制造服务的优化操作和故障预测进行支持。数字孪生应用较多的场景为传动系统，而传动系统中最为常见的就是齿轮传动系统，其通过一对或者多对齿轮副来传递动力，使机器或机器部件得以运转。如果能建立好齿轮系统的虚拟镜像模型，并找到虚拟模型更新的关键参数，将为实际的传动系统数字孪生案例提供解决方法的思路。
[0003]目前，数字孪生技术在工业生产中具有极大的价值。对于海上风力发电，可为其传动系统建立具有高保真度的虚拟模型，测量传动系统的载荷后，齿轮载荷和载荷响应分析可以同时地执行，获得实时的工况，从而及时发现问题甚至预测问题的发生(Johansen,Sigrid S.,and Nejad,et al.On Digital Twin Condition Monitoring Approach for Drivetrains in Marine Applications[C].Proceedings of the ASME 2019 38th International Conference on Ocean,Offshore and Arctic Engineering.Volume 10:Ocean Renewable Energy.2019:V010T09A013.)。在大型的工厂里，考虑到实施成本和数字孪生的复杂性，数字孪生驱动的故障预测与健康管理方法对监控工厂里昂贵且重要的设备具有重要应用价值(Fei Tao,Meng Zhang,Yushan Liu,et al.Digital twin driven prognostics and health management for complex equipment[J].CIRP Annals,2018,67(1):169
‑
172.)。可见，当考虑到高价值的且有着难以接近位置的资产时，数字孪生是有意义的。整体寿命检测的好处将有助于减少维护费用和停机时间，节省资产拥有者的资金(Qinglin Qi,Fei Tao,Tianliang Hu,et al.Enabling technologies and tools for digital twin[J].Journal of Manufacturing Systems,2019.)。数字孪生不仅可以用来进行系统的建模与系统开发的仿真，来帮助设计或验证系统属性，还可以对运营与制造服务的优化操作和故障预测进行支持(Schleich,B.,N.Anwer,L.Mathieu,et al.Shaping the Digital Twin for Design and Production Engineering[J].CIRP Annals,2017,66(1):141
–
144.)。基于多源多模态数据的数字孪生模型更新维护方法及系统(CN202111618605.3)用于解决现有的数字孪生模型更新方法更新后的数字孪生模型与实体系统误差较大的技术问题但是并没有具体到齿轮传动系统的更新，可见现阶段对于旋转机械数字孪生应用研究尚不成熟，针对齿轮系统的研究更少。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对现有技术的空白，提供一种齿轮传动系统数字孪生模型虚实数据镜像更新方法，运用集中参数法把齿轮传动系统简化成离散的“质量
‑
弹簧
‑
阻尼”系统，运用复模态分析方法求解齿轮传动系统的动态特性，构建齿轮传动系统多参数最优化
目标函数，选用PSO算法求解，实现镜像更新，具有一定的求解精度并能确定虚实镜像更新的关键参数。
[0005]本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。
[0006]一种齿轮传动系统数字孪生模型虚实数据镜像更新方法，包括以下步骤：
[0007]S1、简化齿轮传动系统；
[0008]S2、使用牛顿第二定律建立齿轮传动系统动力学微分方程；
[0009]S3、对齿轮传动系统系统动力学微分方程求解，得到不同工况下的振动加速度响应；
[0010]S4、采集具有相同齿轮参数的齿轮传动系统轴承端盖上的振动加速度信号；
[0011]S5、对采集的振动加速度信号进行快速傅里叶变换处理和分析；
[0012]S6、确定更新参数的类型与数量，构建齿轮传动系统仿真虚拟模型镜像更新的多参数最优化目标函数；
[0013]S7、构建提升性能后的粒子群算法(PSO)；
[0014]S8、确定提升性能后的PSO算法参数；
[0015]S9、初始化PSO算法中的每一个粒子；
[0016]S10、迭代更新每一个粒子的速度与位置，将每个粒子自身历史最好位置和当前群体最好位置进行比较，对最优化目标函数求解并更新。
[0017]进一步的，步骤S1中，将齿轮传动系统简化成离散的“质量
‑
弹簧
‑
阻尼”系统。某一阶齿轮副在啮合线上的运动关系δ
ij
：
[0018]δ
ij
＝|x
i
‑
x
j
|sinα+|y
i
‑
y
j
|cosα+θ
i
r
bi
‑
θ
j
r
bj
+e(t)；
[0019]其中，i和j分别代表输入轴齿轮和输出轴齿轮；x、y和θ分别代表齿轮旋转中心在x和y方向的位移和旋转的角度；α为齿轮的压力角；r
b
为基圆半径；e(t)为齿轮轮齿综合啮合误差。
[0020]进一步的，步骤S2中，根据某一阶齿轮副在啮合线方向上的相对运动关系，在稳定的转速输入和一定的负载下，运用牛顿第二定律，列写系统运动微分方程。
[0021]把啮合线上的运动关系δ
ij
带入到系统运动微分方程中，经计算和整理，可以得到矩阵形式的系统运动微分方程：
[0022][0023]其中，q为系统坐标列阵；和分别表示系统坐标速度列阵和系统坐标加速度列阵；M为系统质量矩阵；C为系统阻尼矩阵；K为系统刚度矩阵；T为系统力矩矩阵；E为系统误差激励矩阵。
[0024]进一步的，步骤S3中，考虑系统中刚度参数和阻尼参数随时间变化的部分，假设齿轮啮合状态理想，即齿轮轮齿综合啮合误差设置为零，运动微分方程如下：
[0025][0026]其中q为系统坐标列阵；和分别表示系统坐标速度列阵和系统坐标加速度列阵；M为系统质量矩阵；C为系统阻尼矩阵；K为系统刚度矩阵；T为系统力矩矩阵。
[0027]编写程序运用ode15s求解器对该运动微分方程进行求解。引入本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种齿轮传动系统数字孪生模型虚实数据镜像更新方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、简化齿轮传动系统；S2、使用牛顿第二定律建立齿轮传动系统动力学微分方程；S3、对齿轮传动系统动力学微分方程求解，得到不同工况下的振动加速度响应；S4、采集具有相同齿轮参数的齿轮传动系统轴承端盖上的振动加速度信号；S5、对采集的振动加速度信号进行快速傅里叶变换处理和分析；S6、确定更新参数的类型与数量，构建齿轮传动系统仿真虚拟模型镜像更新的多参数最优化目标函数；S7、构建提升性能后的粒子群算法(PSO)；S8、确定提升性能后的PSO算法参数；S9、初始化PSO算法中的每一个粒子；S10、迭代更新每一个粒子的速度与位置，将每个粒子自身历史最好位置和当前群体最好位置进行比较，对最优化目标函数求解并更新。2.根据权利要求1所述的一种齿轮传动系统数字孪生模型虚实数据镜像更新方法，其特征在于，步骤S1中，利用集中参数法简化将齿轮传动系统简化成离散的质量
‑
弹簧
‑
阻尼系统；某一阶齿轮副在啮合线上的运动关系δ
ij
：δ
ij
＝|x
i
‑
x
j
|sinα+|y
i
‑
y
j
|cosα+θ
i
r
bi
‑
θ
j
r
bj
+e(t)；其中，i和j分别代表输入轴齿轮和输出轴齿轮；x、y和θ分别代表齿轮旋转中心在x和y方向的位移和旋转的角度；α为齿轮的压力角；r
b
为基圆半径；e(t)为齿轮轮齿综合啮合误差。3.根据权利要求1所述的一种齿轮传动系统数字孪生模型虚实数据镜像更新方法，其特征在于，步骤S2中，根据某一阶齿轮副在啮合线方向上的相对运动关系，在稳定的转速输入和负载下，运用牛顿第二定律，建立系统运动微分方程；把啮合线上的运动关系δ
ij
带入到系统运动微分方程中，得到矩阵形式的系统运动微分方程：其中，q为系统坐标列阵；和分别表示系统坐标速度列阵和系统坐标加速度列阵；M为系统质量矩阵；C为系统阻尼矩阵；K为系统刚度矩阵；T为系统力矩矩阵；E为系统误差激励矩阵。4.根据权利要求1所述的一种齿轮传动系统数字孪生模型虚实数据镜像更新方法，其特征在于，步骤S3中，考虑系统中刚度参数和阻尼参数随时间变化的部分，假设齿轮轮齿综合啮合误差设置为零，运动微分方程如下：其中q为系统坐标列阵；和分别表示系统坐标速度列阵和系统坐标加速度列阵；M为系统质量矩阵；C为系统阻尼矩阵；K为系统刚度矩阵；T为系统力矩矩阵；运用ode15s求解器对该运动微分方程进行求解，引入辅助方程和状态向量，并将运动微分方程进行变形，带入到求解器中；设置求解的时间长度，设置求解器的相对误差容限和
绝对误差容限，默认所有自变量初始值为零；通过设置不同的输入转速和负载力矩，运行程序对运动微分方程进行求解，得到齿轮传动系统在不同工况下的动态响应信号f
M
。5.根据权利要求1所述的一种齿轮传动系统数字孪生模型虚实数据镜像更新方法，其特征在于，步骤S4具体包括以下步骤：S4.1、在各级输入、输出轴轴承端盖上方分别安装压电式加速...

【专利技术属性】
技术研发人员：何国林，李健霖，李巍华，丁康，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：