數(shù)字孿生在船舶軸系試驗(yàn)平臺(tái)中的應(yīng)用探討

張曉陽，孫 鋒，孫 玲

(1.海軍駐246廠代表室，遼寧 大連 116000；2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

軸系試驗(yàn)平臺(tái)是開展船舶軸系相關(guān)設(shè)備部件性能分析的重要手段之一，通過真實(shí)試驗(yàn)采集獲得對(duì)部件性能的了解或者獲得相關(guān)狀態(tài)診斷的判據(jù)知識(shí)是臺(tái)架的重要功能。但受限于試驗(yàn)場(chǎng)地、試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)設(shè)備、成本等客觀條件的限制，當(dāng)前利用軸系試驗(yàn)平臺(tái)獲取判據(jù)知識(shí)仍存在著很多的困難，如難以通過破壞性試驗(yàn)的方法獲取軸系在不同故障狀態(tài)的數(shù)據(jù)等。數(shù)字孿生的出現(xiàn)為解決上述問題提供了一種新的思路，數(shù)字孿生集成多物理、多尺度、多學(xué)科屬性，具有虛實(shí)融合、實(shí)時(shí)交互連接、迭代優(yōu)化以及全流程數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)[1-3]，可以為相關(guān)的仿真應(yīng)用提供分析、預(yù)測(cè)、決策等支撐作用，并將仿真結(jié)果反饋給物理對(duì)象，從而幫助物理對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化和決策。這為實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)處理軸系試驗(yàn)平臺(tái)的各種信息提供了新的方法。在船舶行業(yè)，對(duì)于數(shù)字孿生的認(rèn)知大部分還處于理論研究層面，行業(yè)內(nèi)對(duì)于數(shù)字孿生組織管理方式也沒有形成共識(shí)，這對(duì)數(shù)字孿生的應(yīng)用發(fā)展極為不利，有必要開展相關(guān)的研究。

2003年Grieves教授提出了最早的數(shù)字孿生概念，當(dāng)時(shí)被定義為三維模型，包括3個(gè)部分，分別是物理實(shí)體部分、虛擬部分以及兩者之間的連接部分[4]。但受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)發(fā)展，數(shù)字孿生并沒有得到重視。到了2011年，在航天領(lǐng)域，美國NASA和美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室合作提出了面向飛行器的數(shù)字孿生體，給出了數(shù)字孿生的具體概念，即數(shù)字孿生是集成了多物理量、多尺度以及概率模型的系統(tǒng)，其通過機(jī)理模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型、傳感器的更新數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)反映實(shí)體飛行器的狀態(tài)[5]。此后的幾年中，美國NASA又不斷進(jìn)行數(shù)字孿生的研究，數(shù)字孿生也開始被眾多學(xué)者關(guān)注，不斷在NASA提出的數(shù)字孿生相關(guān)概念和定義基礎(chǔ)上進(jìn)行修改和完善，并將數(shù)字孿生擴(kuò)展到除了航空航天以外的其他行業(yè)和領(lǐng)域。

1 孿生體的構(gòu)建與管理

1.1 構(gòu)建原則

為了實(shí)現(xiàn)軸系試驗(yàn)平臺(tái)數(shù)字孿生體在要素、行為和規(guī)則3個(gè)方面的目的，數(shù)字孿生體在構(gòu)建過程中應(yīng)當(dāng)滿足以下幾個(gè)原則。

1) 強(qiáng)交互特性。軸系試驗(yàn)平臺(tái)數(shù)字孿生體需要和用戶進(jìn)行直接交互作用，需要用戶能夠?qū)?shù)字孿生體進(jìn)行相關(guān)操作，并且將反饋信息呈現(xiàn)給用戶。用戶能夠非常直觀地了解軸系試驗(yàn)平臺(tái)相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)信息，在用戶使用過程中，對(duì)用戶的操作及時(shí)給出提示，數(shù)字孿生體和用戶之間應(yīng)當(dāng)具備較強(qiáng)的交互性能，提升用戶的體驗(yàn)感。

2) 真實(shí)行為特征。數(shù)字孿生體在構(gòu)建過程中，應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)軸系試驗(yàn)平臺(tái)物理實(shí)體的真實(shí)映射，盡可能模擬真實(shí)的情況，并且遵守物理實(shí)體的物理規(guī)則，真實(shí)的行為特征可以為用戶帶來更好的體驗(yàn)。

3) 實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合。數(shù)字孿生體重要特點(diǎn)之一是虛實(shí)融合，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與虛擬模型融合是數(shù)字孿生體的內(nèi)涵之一。

4) 合適的組織管理層次。數(shù)字孿生體包括物理實(shí)體、虛擬模型、系統(tǒng)服務(wù)和孿生數(shù)據(jù)等多種組成部分，每個(gè)組成部分都由各個(gè)子系統(tǒng)組成，因此數(shù)字孿生體必須有良好的組織管理特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字孿生體的管理，并且在構(gòu)建過程中方便對(duì)數(shù)字孿生體的搭建，在使用時(shí)方便用戶使用數(shù)字孿生體的各個(gè)系統(tǒng)服務(wù)，在運(yùn)行時(shí)方便對(duì)其進(jìn)行維護(hù)和更新。同時(shí)數(shù)字孿生體也應(yīng)該具有管理功能，對(duì)物理實(shí)體的全生命周期數(shù)據(jù)進(jìn)行高效管理，發(fā)揮出數(shù)據(jù)的最大價(jià)值。

5) 效率和效果的平衡性。由于數(shù)字孿生體組成部分多，虛擬模型中需要對(duì)幾何模型進(jìn)行渲染，對(duì)材料進(jìn)行處理，對(duì)仿真模型進(jìn)行運(yùn)算，對(duì)規(guī)則模型進(jìn)行分析，同時(shí)數(shù)字孿生體是由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的，會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)計(jì)算分析，這就對(duì)數(shù)字孿生體運(yùn)行載體提出了較高的要求。因此，無論是在數(shù)字孿生體構(gòu)建過程中，還是在運(yùn)行過程中，都應(yīng)該在滿足數(shù)字孿生體相關(guān)功能需求的前提下進(jìn)行優(yōu)化，降低數(shù)字孿生體的使用門檻，提高數(shù)字孿生體的使用范圍。

1.2 對(duì)象選取原則

數(shù)字孿生體構(gòu)建對(duì)象選取需要遵循以下原則。

1) 存在物理空間實(shí)體。物理空間對(duì)象的存在是構(gòu)建數(shù)字孿生體的基礎(chǔ)，沒有物理空間實(shí)體的對(duì)象，無法進(jìn)行數(shù)字孿生體的搭建。構(gòu)建數(shù)字孿生體的最終目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體精確地操作，研究物理實(shí)體更深入的內(nèi)在邏輯，通過合理正確的推理，使物理實(shí)體能達(dá)到最合適的狀態(tài)。

2) 存在獲取對(duì)象相關(guān)狀態(tài)的手段。能夠獲取對(duì)象相關(guān)狀態(tài)信息是構(gòu)建數(shù)字孿生體的關(guān)鍵，如部署相應(yīng)的傳感器以獲取需要的物理實(shí)體的相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)。

3) 存在對(duì)選取對(duì)象實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)的手段。如有相應(yīng)控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)等用于改變被選取對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)。

4) 具有搭建數(shù)字孿生體的應(yīng)用價(jià)值。如通過數(shù)字孿生體進(jìn)行故障診斷、狀態(tài)識(shí)別、壽命預(yù)測(cè)等，可以獲得相應(yīng)的價(jià)值。

1.3 軸段數(shù)字孿生體的構(gòu)建

圖1為數(shù)字孿生體軸段虛擬模型構(gòu)建示意圖。根據(jù)選取的中間軸對(duì)象進(jìn)行分析，創(chuàng)建仿真分析有限元模型，通過仿真軟件提供的命令流導(dǎo)出功能，生成命令流模板文件，對(duì)模板文件進(jìn)行分析，提取關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)不同的工況條件生成新的命令流文件，新命令流文件導(dǎo)入到仿真軟件中進(jìn)行仿真分析計(jì)算，得到在新的工況條件下的分析計(jì)算結(jié)果，對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證后進(jìn)行保存。其關(guān)鍵步驟如下。

1) 開發(fā)模型參數(shù)輸入界面。數(shù)字孿生體中虛擬模型是進(jìn)行計(jì)算分析的關(guān)鍵，一般依托于數(shù)字計(jì)算仿真軟件如ANSYS等進(jìn)行，首先根據(jù)分析類型的不同，通過軟件的界面操作建立有限元仿真分析模型，其次根據(jù)軟件提供的命令流導(dǎo)出功能，生成此模型的命令流模板。再根據(jù)數(shù)字孿生體的需要從命令流中提取關(guān)鍵特征參數(shù)，利用程序語言開發(fā)平臺(tái)開發(fā)參數(shù)輸入界面。

2) 參數(shù)替換。根據(jù)開發(fā)的參數(shù)輸入界面，可以實(shí)現(xiàn)模型的構(gòu)建，根據(jù)此部分，數(shù)字孿生體在模擬軸系運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過傳感器獲取軸系的運(yùn)行情況，通過改變參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)從軸段實(shí)體到數(shù)字空間的映射，并形成新的命令流文件。

3) 計(jì)算分析。將生成的命令流文件導(dǎo)入到數(shù)字計(jì)算軟件中，不需要再進(jìn)行額外的邊界條件添加即可進(jìn)行分析計(jì)算。

4) 計(jì)算結(jié)果提取。將計(jì)算分析得到的結(jié)果進(jìn)行提取，包括應(yīng)力分析數(shù)據(jù)、應(yīng)力分布云圖、振動(dòng)分析數(shù)據(jù)、振動(dòng)分布云圖等。

5) 計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)。將提取的結(jié)論數(shù)據(jù)和圖片按照一定的管理方式進(jìn)行保存，并能夠在需要的時(shí)候方便快速的提取。

1.4 數(shù)字孿生體的管理

數(shù)字孿生體需要進(jìn)行管理，合理有效的管理方法能夠充分發(fā)揮數(shù)字孿生體特點(diǎn)，高效發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的功能。孿生體應(yīng)該具有如下管理功能。

1) 孿生體對(duì)模型的管理功能。模型是孿生體的重要組成部分，強(qiáng)化對(duì)孿生體模型的管理可以更好地發(fā)揮孿生體作用。在物理實(shí)體對(duì)象中，模型的存在形式可以有多種方式，如實(shí)體模型、有限元分析模型等，孿生體需要對(duì)不同的模型進(jìn)行管理。

2) 孿生體對(duì)真實(shí)試驗(yàn)臺(tái)架的指導(dǎo)建議功能。孿生體能夠指導(dǎo)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行開展相關(guān)試驗(yàn)的研究，如指導(dǎo)確定相關(guān)傳感器的安裝位置等。

3) 孿生體對(duì)計(jì)算結(jié)果分析方法管理功能。孿生體計(jì)算的結(jié)果有些并不能直接使用，需要經(jīng)過分析處理后才能指導(dǎo)實(shí)際的軸系試驗(yàn)臺(tái)架運(yùn)行。真實(shí)試驗(yàn)臺(tái)架在開展試驗(yàn)研究時(shí)，受限于客觀條件的限制，只能布置有限個(gè)傳感器獲取軸系運(yùn)行狀態(tài)信息，而數(shù)字孿生體計(jì)算分析的結(jié)果是針對(duì)整個(gè)軸系的，因此要建立孿生體計(jì)算結(jié)果與軸系測(cè)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)孿生體的虛實(shí)結(jié)合。

4) 孿生體對(duì)臺(tái)架運(yùn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)的管理功能。在建立了孿生體與軸系試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)點(diǎn)位置的對(duì)應(yīng)管理之后，就需要根據(jù)孿生體實(shí)現(xiàn)所需要的功能管理。孿生體最主要功能之一是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)軸系試驗(yàn)臺(tái)架的運(yùn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)，在還未進(jìn)行試驗(yàn)研究之前，利用數(shù)字孿生體模擬試驗(yàn)臺(tái)架的運(yùn)行。但目前已有的技術(shù)手段較難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真模擬運(yùn)算，因此采用事先計(jì)算分析的方法，然后通過數(shù)據(jù)管理方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)架運(yùn)行狀態(tài)的趨勢(shì)預(yù)測(cè)，并在開展試驗(yàn)時(shí)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)仿真模型進(jìn)行修正，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模型的迭代優(yōu)化。

數(shù)據(jù)孿生體需要對(duì)物理實(shí)體的設(shè)計(jì)階段、運(yùn)行維護(hù)階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，包括物理實(shí)體采集獲取的數(shù)據(jù)、模型的數(shù)據(jù)、計(jì)算的數(shù)據(jù)、不同工況條件下的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)等。圖2為數(shù)字孿生體管理數(shù)據(jù)功能流程示意圖。

圖2 數(shù)字孿生體管理數(shù)據(jù)功能流程示意圖

設(shè)計(jì)制造階段數(shù)據(jù)管理：主要包括幾何尺寸數(shù)據(jù)、材料屬性數(shù)據(jù)、制造數(shù)據(jù)、安裝過程的數(shù)據(jù)等。運(yùn)行維護(hù)數(shù)據(jù)管理：包括對(duì)日常運(yùn)行數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生體計(jì)算分析數(shù)據(jù)以及經(jīng)過數(shù)據(jù)挖掘分析獲得的判據(jù)知識(shí)的管理。物理實(shí)體在日常運(yùn)行時(shí)，會(huì)由于各種原因造成基本幾何尺寸和邊界條件發(fā)生變化，如由于軸系冷卻水管路長期運(yùn)行造成水垢堵塞現(xiàn)象會(huì)影響冷卻水流速，中間軸承軸瓦由于磨損造成軸瓦厚度變薄，這都會(huì)對(duì)孿生體的計(jì)算分析結(jié)果造成影響，在使用孿生體時(shí)應(yīng)充分考慮到這些因素對(duì)孿生體的影響，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合。

2 孿生體的管理示例

以某進(jìn)行軸系軸徑優(yōu)化的試驗(yàn)平臺(tái)為例，其需要構(gòu)建基于振動(dòng)方法進(jìn)行軸段狀態(tài)判斷的數(shù)字孿生體，軸段振動(dòng)數(shù)字孿生體搭建的核心工作主要包括振動(dòng)分析計(jì)算模型的創(chuàng)建、模型的組織管理和計(jì)算分析數(shù)據(jù)的組織管理。

在孿生體中，首先需要對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理的組織與管理，在軸系試驗(yàn)平臺(tái)最危險(xiǎn)截面和次危險(xiǎn)截面均有裂紋時(shí)，不同深度的裂紋振幅變化對(duì)比示意圖如圖3所示。

圖3 不同深度的裂紋振幅對(duì)比示意圖

在孿生體數(shù)據(jù)知識(shí)管理基礎(chǔ)上，在試驗(yàn)臺(tái)架運(yùn)行時(shí)，就可以根據(jù)孿生體中的知識(shí)結(jié)合實(shí)際傳感器獲取的數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行臺(tái)架運(yùn)作狀態(tài)的評(píng)判，基于數(shù)字孿生體的狀態(tài)輔助判斷示意圖如圖4所示。

圖4 基于數(shù)字孿生體的狀態(tài)輔助判斷示意圖

孿生體的數(shù)據(jù)會(huì)處于動(dòng)態(tài)的變化過程中，這種變化體現(xiàn)在2個(gè)方面。第一是數(shù)據(jù)自身的變化，如不同狀態(tài)的數(shù)據(jù)趨勢(shì)不同；第二是數(shù)據(jù)的來源會(huì)發(fā)生變化，如根據(jù)實(shí)際情況的分析，需要在對(duì)應(yīng)的物理實(shí)體上增加或減少傳感器的測(cè)點(diǎn)、增加或者減少傳感器的類型等?？梢钥吹?，數(shù)字孿生體搭建完成后，并非一成不變，而是每個(gè)組成部分都有可能會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)的改變，并且這種變化是循環(huán)調(diào)整的，調(diào)整了一個(gè)方面，其余的也需要跟著發(fā)生變化，因此有合適的數(shù)字孿生體的管理手段和方案，才能簡(jiǎn)化數(shù)字孿生體的推演調(diào)整過程，讓數(shù)字孿生體發(fā)揮更好的作用。

3 結(jié)束語

本文對(duì)數(shù)字孿生體技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行梳理，提煉總結(jié)出數(shù)字孿生體的構(gòu)建原則和數(shù)字孿生體的對(duì)象選取原則，分析了軸段數(shù)字孿生體的構(gòu)建具體過程。在此基礎(chǔ)上，論述了數(shù)字孿生體管理的意義，并以軸系試驗(yàn)平臺(tái)為例，論述了數(shù)字孿生體應(yīng)具有的具體管理功能。最后針對(duì)具體的試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行了孿生體的管理示例說明?，F(xiàn)有研究主要集中于孿生體的功能實(shí)現(xiàn)，而很少關(guān)注到其管理需求和管理功能，為更好地發(fā)揮其作用、降低構(gòu)建同類數(shù)字孿生體的難度，應(yīng)充分關(guān)注數(shù)字孿生體的平臺(tái)化構(gòu)建與管理的方法。