劉 杰，陳世偉，韓博志，李 強(qiáng)，陳新華

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063;2.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715)

軸系試驗(yàn)臺架是研究船舶軸系相關(guān)性能及運(yùn)行機(jī)理的主要方式之一，通過軸系試驗(yàn)臺架，可以實(shí)現(xiàn)船舶軸系動力特征和故障機(jī)理的相關(guān)研究方法，從而達(dá)到減少軸系故障，提高軸系在航行時穩(wěn)定性的目的。但受限于試驗(yàn)場地、傳感器安裝條件、成本等相關(guān)條件的限制，在研究軸系故障診斷、狀態(tài)識別的過程中，存在缺乏部分判據(jù)知識的獲取方法，以及判據(jù)知識獲取困難等問題。而目前越來越受到學(xué)者重視的數(shù)字孿生方法為解決該類問題提煉一種新的思路。針對如何構(gòu)建軸系臺架相關(guān)設(shè)備的數(shù)字孿生體、如何進(jìn)行對象選取、如何構(gòu)建孿生體的技術(shù)服務(wù)等進(jìn)行研究具有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價值。

1 數(shù)字孿生體技術(shù)背景

1.1 數(shù)字孿生體技術(shù)

數(shù)字孿生(digital twin)以數(shù)字化的方式建立物理實(shí)體的多維、多時空尺度、多學(xué)科、多物理量的動態(tài)虛擬模型，來仿真和刻畫物理實(shí)體在真實(shí)環(huán)境中的屬性、行為、規(guī)則等[1-2]。陶飛提出的數(shù)字孿生五維通用模型，為數(shù)字孿生的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)[3]。

對于軸系試驗(yàn)平臺，根據(jù)數(shù)字孿生通用五維模型，完整的數(shù)字孿生體應(yīng)包括物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、系統(tǒng)服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)以及之間的連接部分[3]。因此，軸系試驗(yàn)平臺數(shù)字孿生的組成如下。

1)物理實(shí)體。物理實(shí)體指的是軸系試驗(yàn)臺架物理空間組成部分，即現(xiàn)實(shí)中存在的組成部分。包括軸系試驗(yàn)臺架各組成部分的幾何尺寸信息、材料屬性信息，如軸段、中間軸承、水潤滑軸承、減速器、液壓加載裝置和相關(guān)管路等。

2)虛擬實(shí)體。虛擬實(shí)體是軸系試驗(yàn)平臺在虛擬空間的表現(xiàn)，是物理實(shí)體的“鏡像”?？梢杂?個子模型組成：由實(shí)體的幾何尺寸、材料屬性、約束條件、特征信息等所構(gòu)建的仿真模型；由內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制及外部干擾影響描述的行為模型；由表示軸系相關(guān)數(shù)據(jù)分析、經(jīng)驗(yàn)知識、標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)則組成的規(guī)則模型。

3)系統(tǒng)服務(wù)。系統(tǒng)服務(wù)是數(shù)字孿生體發(fā)揮價值的關(guān)鍵部分，也是呈現(xiàn)給用戶使用最直觀的部分。根據(jù)軸系試驗(yàn)平臺提供的真實(shí)數(shù)據(jù)，通過連接將數(shù)據(jù)在虛擬空間中進(jìn)行分析處理，從而為使用人員提供各種服務(wù)。如實(shí)體模型的可視化構(gòu)建工具、仿真模型的構(gòu)建工具、軸系故障診斷、狀態(tài)識別等服務(wù)功能。

4)孿生數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)是軸系試驗(yàn)平臺數(shù)字孿生體的核心，也是數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的驅(qū)動。包括軸系物理空間實(shí)體數(shù)據(jù)、虛擬實(shí)體數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)、知識數(shù)據(jù)以及融合衍生數(shù)據(jù)等。通過對數(shù)據(jù)的挖掘分析獲得新的知識是數(shù)字孿生體應(yīng)用的關(guān)鍵。

5)連接部分。包括上述物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、系統(tǒng)服務(wù)以及孿生數(shù)據(jù)之間的連接，及每個組成部分內(nèi)部數(shù)據(jù)的連接。

1.2 應(yīng)用價值

通過搭建軸系試驗(yàn)平臺數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)軸系試驗(yàn)平臺在虛擬空間的映射，根據(jù)獲取的物理空間數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到虛擬空間中進(jìn)行運(yùn)算，進(jìn)而高效、實(shí)時、準(zhǔn)確、動態(tài)地獲取軸系運(yùn)行狀態(tài)，這對于研究軸系動力特征和故障機(jī)理，獲取相關(guān)判據(jù)知識，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)船舶安全航行具有重要意義。

2 數(shù)字孿生體的構(gòu)建技術(shù)

2.1 數(shù)字孿生的對象選取

軸系試驗(yàn)平臺數(shù)字孿生體構(gòu)建對象的選取需要遵循以下幾個原則。

1)存在物理空間實(shí)體，物理空間對象的存在是構(gòu)建數(shù)字孿生體的基礎(chǔ)，沒有物理空間實(shí)體的對象，無法進(jìn)行數(shù)字孿生體的搭建。

2)存在獲取對象相關(guān)狀態(tài)的手段，如部署相應(yīng)傳感器獲取需要的物理實(shí)體的相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)。

3)存在對選取對象實(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象的運(yùn)行狀態(tài)。

4)具有搭建數(shù)字孿生體的應(yīng)用價值，如通過數(shù)字孿生體進(jìn)行故障診斷、狀態(tài)識別、壽命預(yù)測等可以獲得相應(yīng)的價值。

2.2 數(shù)字孿生體構(gòu)建的關(guān)鍵步驟

數(shù)字孿生體構(gòu)建的關(guān)鍵步驟如下。

1)構(gòu)建實(shí)體模型。根據(jù)選取對象的具體特征，利用參數(shù)化繪圖技術(shù)，構(gòu)建所需要的孿生體實(shí)體部分的三維模型。

2)將物理實(shí)體映射到虛擬模型。從實(shí)體模型到虛擬模型之間的雙向映射和數(shù)據(jù)實(shí)時交互是數(shù)字孿生體構(gòu)建的核心[4]。數(shù)字孿生體關(guān)系模型如圖1所示，虛擬模型通過傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供的接口、人工測量的數(shù)據(jù)等獲取到軸系試驗(yàn)平臺的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。再根據(jù)已有理論知識、經(jīng)驗(yàn)知識以及約束條件、算法和約束等對軸系試驗(yàn)平臺進(jìn)行計(jì)算分析，分析的結(jié)果對比知識庫產(chǎn)生反饋信號，對軸系試驗(yàn)平臺進(jìn)行反饋修正。

圖1 數(shù)字孿生體關(guān)系模型

3)規(guī)則模型構(gòu)建。規(guī)則模型的核心在于知識庫的建立，知識庫中的知識來源主要包括經(jīng)驗(yàn)知識、理論計(jì)算分析、通過案例知識進(jìn)行智能算法訓(xùn)練等。經(jīng)驗(yàn)知識一般來源于專家知識的收集、整理、提煉，形成能用計(jì)算機(jī)語言表示的方式。理論分析計(jì)算主要采用仿真分析計(jì)算軟件模擬計(jì)算。案例知識來源于實(shí)際監(jiān)測的數(shù)據(jù)與理論分析計(jì)算的數(shù)據(jù)，實(shí)際監(jiān)測的數(shù)據(jù)會對理論計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。規(guī)則模型構(gòu)建完畢后，就具備了提供服務(wù)的前提條件，系統(tǒng)服務(wù)主要包括故障診斷、狀態(tài)識別等，可以根據(jù)實(shí)測的數(shù)據(jù)與知識對比輸出結(jié)論。規(guī)則模型構(gòu)建過程示意圖如圖2所示。

圖2 規(guī)則模型構(gòu)建過程示意圖

4)仿真模型構(gòu)建。根據(jù)分析對象和分析類型的不同，數(shù)字孿生體在進(jìn)行分析計(jì)算的時候需要選取不同的方法，常用的方法有仿真分析計(jì)算、理論計(jì)算、歷史經(jīng)驗(yàn)獲取等。其中仿真分析計(jì)算需要采用仿真軟件進(jìn)行計(jì)算，仿真分析模型計(jì)算示意圖如圖3所示。根據(jù)選取的對象和分析的類型，建立仿真分析模型，計(jì)算得出結(jié)論，仿真分析計(jì)算的結(jié)論會用來進(jìn)行模型邊界條件的修正，修正后的模型會繼續(xù)進(jìn)行分析，直到接近于真實(shí)情況，同時，實(shí)際監(jiān)測的數(shù)據(jù)也會用于對模型的修正。

圖3 仿真分析模型計(jì)算示意圖

3 應(yīng)用驗(yàn)證

3.1 物理實(shí)體

軸系試驗(yàn)平臺組成部分較多，包括電機(jī)系統(tǒng)、減速器系統(tǒng)、中間軸承系統(tǒng)、水潤滑軸承系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、軸心軌跡測量系統(tǒng)等部分。根據(jù)前述數(shù)字孿生體選取對象的原則，選取軸系試驗(yàn)平臺中間軸承作為數(shù)字孿生體的構(gòu)建對象，分析類型選取中間軸承溫度分析。中間軸承具有測量軸瓦溫度的溫度傳感器，能夠通過調(diào)節(jié)冷卻水進(jìn)口溫度和流量控制對軸瓦的冷卻效果。

3.2 虛擬模型

根據(jù)分析的對象，由測量的幾何尺寸數(shù)據(jù)，利用參數(shù)化繪圖工具，構(gòu)建其數(shù)字孿生仿真模型，中間軸承實(shí)體模型如圖4所示。

圖4 中間軸承實(shí)體模型

中間軸承在運(yùn)行時，熱量來源主要是軸與軸承的摩擦生熱，再通過滑油將熱量傳遞給冷卻水帶走，滑油大部分經(jīng)過冷卻水冷卻散熱，通過空氣與軸承自然對流換熱對結(jié)果的影響可忽略不計(jì)，使得滑油的溫度處于一個合適的范圍內(nèi)。軸系試驗(yàn)平臺環(huán)境溫度可以通過放置在現(xiàn)場的溫度計(jì)測得。

中間軸承內(nèi)部摩擦生熱根據(jù)公式(1)計(jì)算：

Q=f·F·v0,

(1)

式中，Q為發(fā)熱量；f為摩擦因數(shù)；F為徑向加載力；v0為線速度。

中間軸承在穩(wěn)定運(yùn)行時，潤滑油膜可視為穩(wěn)定油膜，滑油速度為軸的線速度，計(jì)算公式如(2)所示：

(2)

式中,n為轉(zhuǎn)速，r/min；r為軸的半徑，m。

冷卻水和潤滑油的雷諾數(shù)Re可由公式(3)計(jì)算，進(jìn)而判斷其流動狀態(tài)：

Re=ρv1d/μ,

(3)

式中,Re為雷諾數(shù);ρ為滑油或冷卻水密度;v1為滑油或冷卻水流速;d為滑油或冷卻水管道流動特征長度；μ為滑油或冷卻水黏性系數(shù)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

選取了幾種典型工況條件的同時進(jìn)行了臺架測試試驗(yàn)與虛擬仿真計(jì)算，不同工況下仿真計(jì)算結(jié)果如表1所示，仿真分析計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

由表1和圖5可知，真實(shí)情況下軸瓦溫度與模擬運(yùn)算結(jié)果基本一致。表明搭建的數(shù)字孿生體能夠模擬及獲取軸系試驗(yàn)臺架軸承的相應(yīng)運(yùn)行狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，充分利用數(shù)字孿生體的優(yōu)勢，在各種不同工況條件下進(jìn)行大量仿真運(yùn)算，將結(jié)果保存在數(shù)字孿生體數(shù)據(jù)庫中，利用此數(shù)字孿生體提供狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)測服務(wù)。

表1 不同工況下仿真計(jì)算結(jié)果

圖5 仿真分析計(jì)算結(jié)果

4 中間軸承孿生體服務(wù)

數(shù)字孿生體搭建完畢后，利用軟件開發(fā)的方法，將虛擬模型進(jìn)行服務(wù)化封裝，通過開放相應(yīng)的接口，對參數(shù)進(jìn)行修改，其中直接參數(shù)是服務(wù)使用者可以修改的，間接參數(shù)在封裝好的模型內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算分析。數(shù)字孿生體通過界面顯示等手段將虛擬模型的三維視圖及運(yùn)算結(jié)果顯示給服務(wù)使用者。

在界面上可以輸入相關(guān)參數(shù)信息，如轉(zhuǎn)速、冷卻水進(jìn)口溫度、冷卻水進(jìn)口流量、環(huán)境溫度等，可以查看三維模型視圖及虛擬運(yùn)算結(jié)果。

服務(wù)程序封裝完成后，使用者可以通過服務(wù)程序進(jìn)行在各種不同工況下的虛擬分析，并將結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫中，完善知識庫。在不進(jìn)行真實(shí)試驗(yàn)的情況下，利用數(shù)字孿生體進(jìn)行模擬試驗(yàn)。在試驗(yàn)臺架真實(shí)運(yùn)行時，根據(jù)實(shí)測的軸系臺架相關(guān)數(shù)據(jù)，對比數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行如下服務(wù)。

1)狀態(tài)識別。通過實(shí)時監(jiān)測的軸系試驗(yàn)臺架數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)教摂M模型中，根據(jù)封裝的服務(wù)APP，獲得當(dāng)前狀態(tài)下的虛擬試驗(yàn)結(jié)果，判斷當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。

2)故障預(yù)測。在進(jìn)行真實(shí)臺架試驗(yàn)時，通過監(jiān)測得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對比當(dāng)前工況下數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)，如果發(fā)現(xiàn)超出正常范圍，根據(jù)知識庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷分析，及時發(fā)出預(yù)警信號，提醒用戶可能發(fā)生的故障。

5 結(jié)束語

本文從對象選取、模型構(gòu)建等方面，提出了軸系試驗(yàn)平臺數(shù)字孿生體構(gòu)建方法，并以軸系試驗(yàn)平臺中間軸承為分析對象，對方法進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，軸系試驗(yàn)平臺數(shù)字孿生體能夠?yàn)檩S系故障診斷、狀態(tài)識別等服務(wù)提供判據(jù)條件，能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)傳感器獲取的數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前軸系試驗(yàn)平臺中間軸承的狀態(tài)信息。但因?yàn)閿?shù)字孿生體涉及的子部位較多，與軸系物理實(shí)體的雙向交互及實(shí)時映射還需要進(jìn)一步加強(qiáng)，對軸系試驗(yàn)臺架整體的數(shù)字孿生體的應(yīng)用還需要進(jìn)一步的研究完善。