[发明专利]一种基于数字孪生的旋耕刀优化设计方法

说明书

一种基于数字孪生的旋耕刀优化设计方法，首先构建物理空间、虚拟空间、信息空间及服务空间，四个空间相互映射，相互耦合，由物理空间对旋耕刀的全生命周期进行监控，而后在虚拟空间对物理空间采集的信息进行处理后，由信息空间生成孪生数据，通过孪生数据驱动服务空间，实现对旋耕刀相关参数的动态优化设计，从而能够更加全面、更加系统地解决旋耕刀优化设计经验化、设计周期长、设计成本高的问题。

技术领域

本发明涉及机械装备优化设计技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的旋耕刀优化设计方法。

背景技术

旋耕刀是旋耕机的关键零部件之一，是耕作过程中土壤切削行为的承担者。高速旋转的旋耕刀片通过切削土壤以完成翻土、碎土、平整土地及除草等一系列工作。由于土壤中往往含有植物根茎、石块等障碍物且土壤物理性质复杂，高速旋转的旋耕刀不仅承受着复杂的外力、力矩及各种冲击载荷，此外旋耕刀还易出现自身的振动、与系统共振等现象，故其应力应变状态非常复杂。因此如何实现采集旋耕刀的全生命周期信息，同时对耕作过程中旋耕刀工作状态及土壤变化进行监控，并以此为基础对耕作过程进行仿真模拟，从多维度、多尺度对耕作过程进行描述，均对旋耕刀的优化设计服务有着重要影响。

数字孪生技术是实现信息物理融合的关键使能技术之一，已经逐渐被学术界广泛认可和研究，并在诸多领域成功落地应用。同时数字孪生的五维模型包含物理实体、虚拟模型、孪生数据、连接、服务，可以从多维度、多时间尺度、多空间尺度来描述物理实体在真实环境的变化，因此如何将数字孪生技术应用于旋耕刀优化设计领域，进而系统采集旋耕刀的全生命周期信息，实现物理信息融合，以对旋耕刀相关参数进行优化设计已经成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于数字孪生的旋耕刀优化设计方法，以解决上述背景技术中的问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种基于数字孪生的旋耕刀优化设计方法，首先构建物理空间、虚拟空间、信息空间及服务空间，而后在虚拟空间对物理空间采集的信息进行处理后，由信息空间生成孪生数据，通过孪生数据驱动服务空间，实现对旋耕刀相关参数的动态优化设计，具体步骤如下：

1)实时获取旋耕刀的全生命周期数据

物理空间用于采集不同类型旋耕刀的设计数据，并对旋耕刀的整个生命周期中不同用户的需求进行采集，同时在实际农业耕作过程中，通过传感器模块实时监测旋耕刀的工作状况和土壤变化情况，并根据实际的耕作效果，建立合理的耕作指标；

2)对获取的数据进行处理

虚拟空间是物理空间的镜像，用于对物理空间采集的数据进行整理、分析、拓展，且根据步骤1)采集的不同类型旋耕刀设计数据建立旋耕刀数据库，并对用户的需求信息进一步进行分析总结，再根据实时采集的数据建立高逼真度仿真模型，并基于实际耕作过程和仿真过程归纳总结建立旋耕刀行为规则库；

3)生成孪生数据

信息空间用于存储处理物理空间、虚拟空间及服务空间的信息，所有信息均实时传输至信息空间，信息空间对实时信息进行整理、分析、融合，从而生成孪生数据，同时孪生数据实时与其它空间交互；

4)建立虚拟仿真模型，对旋耕刀进行性能评估

服务空间由信息空间的孪生数据驱动，从而获得旋耕刀初始参数集，通过试验设计获得重要的参数集，而后通过算法对参数集进行寻优，并对寻优结果进行验证分析，验证分析通过后，根据寻优结果建立虚拟仿真模型，最后结合旋耕刀的行为规则对旋耕刀进行性能评估，以实现对旋耕刀相关参数的动态优化设计。

在本发明中，所述物理空间实时获取旋耕刀的全生命周期数据具体流程如下：