一种基于机械结构应力分布的实时仿真系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于机械结构应力分布的实时仿真系统，包括机械结构仿真对象、数字孪生模型文件、传感器模块、数据通信模块、数字孪生实时仿真模块和实时界面显示模块。数字孪生模型文件中包括力在逐渐加载的过程中机械结构仿真对象的三维网格特征坐标数据，以及仿真结果离散数据拟合的多项式函数系数矩阵数据。传感器模块测量机械结构所受力约束的实时实测数据。数字孪生实时仿真模块用于得出基于有限元仿真软件的理论实时仿真结果，并对理论实时仿真结果进行校验。本发明专利技术解决了物理机械在实际工作过程中受力情况无法直观具体表示的问题，具有极高的实时性与直观性，并保证了仿真结果的准确性以及数据的同步性。仿真结果的准确性以及数据的同步性。仿真结果的准确性以及数据的同步性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于机械结构应力分布的实时仿真系统


[0001]本专利技术属于数字孪生领域，具体涉及一种基于机械结构应力分布的实时仿真系统。

技术介绍

[0002]数字孪生技术(Digital Twin Technology)是指利用虚拟模型来模拟和优化物理实体的运行情况，是一种新型的智能制造技术。通过产品在研发设计阶段的仿真模拟数据，结合实际生产运行过程的历史数据，实现其全生命周期的数字模型与真实产品的实时状态检测、基本物理属性模拟以及状态过程预测。
[0003]数字孪生技术作为一种新型的多学科融合技术，具有非常强的通用性及实用性，因此适用于极为广泛的工业场景，可以被应用在产品设计及制造、车间调度、物流管理、工程建设、设备维护等方面。
[0004]目前，重载荷搬运机械极大地降低了大型重装货物搬运过程中人力物力成本，并且在建筑施工、码头转运等场景中被广泛应用。然而，实际工程场景不同于实验室或有限元仿真环境，重载荷搬运机械在实际应用时将有可能面临雷暴、地震、冰灾等极端天气情况，抑或施工人员操作失误，不按规定操作吊装设备等人为不当行为，使得吊装设备工况提前失效。然而目前仍旧没有针对重载荷搬运机械起吊搬运机械工况实施有效的全方位监控手段。通过数字孪生技术，可以将现实世界中的对象完美地复刻到虚拟世界中，以实现在虚拟世界中对现实对象的全方位状态检测。因此在数字孪生技术的加持下，将有效避免机械结构中因突发状况而导致强度失效、意外坍塌等事故的发生，及时反馈机械结构的应力分布状况，预报其中易发生意外状况的结构部位，方便维护人员的针对机械结构的后期保养与检修，降低事故发生的概率。

技术实现思路

[0005]针对上述技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于机械结构应力分布的实时仿真系统，实现对于工程设备中机械结构的应力分布的实时模拟、仿真、检测及预报。
[0006]一种基于机械结构应力分布的实时仿真系统，包括机械结构仿真对象、数字孪生模型文件、传感器模块、数据通信模块、数字孪生实时仿真模块和实时界面显示模块。
[0007]所述机械结构仿真对象是指物理世界中所需进行实时仿真的具体机械设备结构。
[0008]所述数字孪生模型文件中包括1.力在逐渐加载的过程中机械结构仿真对象的三维模型网格节点对应的坐标信息2.力在逐渐加载的过程中仿真结果离散数据拟合的多项式函数系数矩阵数据。
[0009]所述传感器模块用于安装在机械结构仿真对象上，用于测量机械结构仿真对象所受力约束的实时实测数据，其中包括用于测量机械结构的选定节点处的空间姿态实时数据的重力加速度传感器，以及用于测量机械结构特定部位的应力值实时数据的电阻式应变片，电阻式应变片阻值通过应变放大转换器转换为电信号。
[0010]所述数据通信模块将安装于机械结构仿真对象上的传感器模块测量的实时实测数据传达至数字孪生实时仿真模块。数据通信模块使用具有通信功能的开发板作为硬件载体，与数字孪生实时仿真模块之间使用MQTT作为通信协议。
[0011]所述数字孪生实时仿真模块用于将数据通信模块中所接收的重力加速度传感器的机械结构仿真对象的实测数据，作为参数加入到数字孪生模型文件中保存的多项式函数系数矩阵进行多项式计算，得出基于有限元仿真软件的理论实时仿真结果，并通过传感器模块中的电阻式应变片对理论实时仿真结果进行校验。
[0012]所述实时界面显示模块用于显示数字孪生模型文件在传感器测得的数据状态下的理论实时仿真结果，在WebGL引擎中使用look
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up
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table函数得到云图方式绘制的应力分布状态，即以应力云图的方式显示各部位应力值大小的差异，用三维模型的网格坐标信息显示机械结构仿真对象的模型形变特征信息。
[0013]进一步地，设置偏差阈值，如果同一节点处数字孪生实时仿真模块进行校验的理论实时仿真结果与应变传感器实时实测数据的偏差大于预先设置的偏差阈值，且不是因系统误差、随机误差等引起的，便会及时停止实时显示界面模块对理论实时仿真结果的显示，以确保仿真结果的全过程准确性，并向操作人员发出警告，提示可能存在机械结构的性能失效，以及建议操作人员停机检查机械设备的可靠性。
[0014]进一步地，重力加速度传感器安装的选定节点位置一般为力的施加处，经有限元理论计算，便可得知对应施加力情况下的机械结构发生形变时节点处的姿态角度信息，由姿态角度信息可推知施加力的实时实测数据。电阻式应变片的安装位置在机械机构各部件的连接交叉点和各部件整体结构的均布点位置上。
[0015]进一步地，传感器模块与数字孪生实时仿真模块之间通过数据通信模块并采用MQTT通信协议进行传输，以保证数据传输的实时性。数字孪生实时仿真模块和实时界面显示模块基于JavaScript语言开发，数字孪生实时仿真模块将理论实时仿真结果交由实时界面显示模块进行应力分布及模型形变状态显示，其中实时界面显示模块基于JavaScript的WebGL实例图形学库Three.js开发，整个应力实时仿真系统可以在具备JavaScript运行时环境以及基于Chromium内核的浏览器的系统下运行。
[0016]本专利技术与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0017]本专利技术中的机械结构应力分布实时仿真系统解决了在物理机械在实际工作过程中受力情况无法直观具体表示的问题。
[0018]本专利技术将传统的重载机械设计与维护两个阶段紧密联系起来，通过将设计阶段的理论仿真数据应用在实际的使用过程中，当机械性能发生偏离设计时的理论性能数值时，便可以以极快的速度识别出，并经预测发出警告。具有极高的实时性与直观性，适合用于消费级商业产品中，由于过滤掉了有限元仿真软件中复杂抽象的结果数据并实现了实时的基于物理模型的仿真结果输出，方便普通消费者直观地了解产品实时的机械结构性能。
[0019]同时，本专利技术提供的机械结构应力分布实时仿真系统通过在机械结构仿真对象的特殊节点安装电阻式应变片传感器，并将传感器测得的实时状态数据与数字孪生模型文件拟合的当前状态下的理论数据进行比较，保证了仿真结果的准确性以及数据的同步性。
附图说明
[0020]图1是本专利技术中机械结构应力分布实时仿真系统架构图；
[0021]图2是本专利技术中机械结构应力分布实时仿真系统的软硬件关系图；
[0022]图3是本专利技术中机械结构应力分布实时仿真系统流程图。
具体实施方式
[0023]下面结合附图对本专利技术做进一步的说明。
[0024]如图1以及图2所示，一种基于机械结构应力分布的实时仿真系统，包括机械结构仿真对象、数字孪生模型文件、传感器模块、数据通信模块、数字孪生实时仿真模块和实时界面显示模块。
[0025]所述机械结构仿真对象是指物理世界中所需进行实时仿真的具体机械设备结构。所述数字孪生模型文件是指基于机械结构应力分布的实时仿真系统中针对机械结构仿真对象所创建的用于实时仿真的模型文件，其中包括1.力在逐渐加载的过程中机械结构仿真对象的三维模型网格本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于机械结构应力分布的实时仿真系统，其特征在于，包括机械结构仿真对象、数字孪生模型文件、传感器模块、数据通信模块、数字孪生实时仿真模块和实时界面显示模块；所述机械结构仿真对象是指物理世界中进行实时仿真的具体机械设备结构；所述数字孪生模型文件中包括力在逐渐加载的过程机械结构仿真对象的三维模型网格节点对应的坐标信息，以及力在逐渐加载的过程仿真结果离散数据拟合的多项式函数系数矩阵数据；所述传感器模块安装在机械结构仿真对象上，用于测量机械结构仿真对象所受力约束的实时实测数据，包括测量机械结构的节点处的空间姿态实时数据的重力加速度传感器，以及测量机械结构各部位的应力值实时数据的电阻式应变片；所述数据通信模块将传感器模块测量的实时实测数据传达至数字孪生实时仿真模块；所述数字孪生实时仿真模块将数据通信模块所接收的重力加速度传感器的机械结构仿真对象的实时实测数据，作为参数加入到数字孪生模型文件中保存的多项式函数系数矩阵进行多项式计算，得出基于有限元仿真软件的理论实时仿真结果，并通过传感器模块中的电阻式应变片对理论实时仿真结果进行校验；所述实时界面显示模块用于显示数字孪生模型文件在传感器测得的数据下的理论实时仿真结果，得到云图方式绘制的应力分布状态，以应力云图的方式显示各部位应力值大小的差异，用三维模型网格节点的坐标信息显示机械结构仿真对象的模型形变特征信息。2.根据权利要求1所述的一种基于机械结构应力分布的实时仿真系统，其特征在于，所述重力加速度传感器安装的节点位置为力的施加处，经有限元理论计算，得到对应施加力情况下的机械结构发生形变时节点处的姿态角度信息，由姿态角度信息得到施加力的实时实测数据；所述电阻式应变片的安装位置在机械机构各...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈国强，范浩然，吴欣，顾惠，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：