[发明专利]一种基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估方法及系统

权利要求书

1.一种基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、基于齿轮箱中的每一个齿轮的齿数以及每一个齿轮对的弹性系数和间隙，并设定所述齿轮箱的边界条件，构建所述每一个齿轮对的传动模型，获取每一个齿轮随时间变化的平动轨迹和转动轨迹，所述边界条件包括齿轮箱的输入端转速和输出端负载；

S2、将测量得到的所述齿轮箱的运动幅值和相位分别与所述平动轨迹和转动轨迹的幅值和相位进行比较，基于所述比较结果，对所述传动模型中的每一个齿轮对的弹性系数进行校正，并根据所述每一个齿轮对校正后的弹性系数，得到所述每一个齿轮对修正后的传动模型；

S3、将获取的所述齿轮箱的当前输入端转速和输出端负载输入所述每一个齿轮对修正后的传动模型，并结合有限元仿真分析，以当前时间点作为第一次检测时间点，得到第一次检测周期内每一个齿轮轴上每一个位置的应力随时间变化的规律；

S4、根据疲劳分析公式以及所述每一个齿轮轴上每一个位置的应力随时间变化的规律，得到所述每一个齿轮轴上每一个位置的剩余折损次数，并得到所述第一次检测之后所述每一个齿轮轴上每一个位置所剩余寿命的百分比；

S5、重复执行步骤S3~S4，得到每一次检测之后所述每一个齿轮轴上每一个位置所剩余寿命的百分比；

所述步骤S4包括：

根据每一个齿轮轴上每一个位置的应力随时间变化的规律，获取每一个位置在检测周期内的最大应力和最小应力，并通过疲劳计算公式（10）计算得到齿轮轴上每一个位置的剩余折损次数L_N；

（10）；

其中，σ_max为最大应力，σ_min为最小应力，σ_f是疲劳强度系数，b是疲劳强度指数；

齿轮轴上每一个位置的剩余寿命百分比的递推公式（11）为：

（11）；

其中，N为检测次数，L_N为第N次检测后该位置的剩余折损次数, R_N为该位置的剩余寿命百分比。

2.如权利要求1所述的基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：

根据所述齿轮箱中每一个齿轮的几何形状和材质，构建所述齿轮箱的三维结构模型，并以所述三维结构模型构建所述每一个齿轮对的传动模型；

根据所述几何形状和材质，获取所述每一个齿轮的质量和转动惯量。

3.如权利要求2所述的基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：

设置所述齿轮箱中的每一个齿轮轴编号i，所述齿轮箱的每一个齿轮编号为j，设置j=1为第一个齿轮，并作为所述齿轮箱的输入端，若j=2i，则该齿轮为从动轮；若j=2i+1，则该齿轮为驱动轮；

根据所述齿轮箱的输入端转速，计算第一个齿轮转动角度在转轴方向上的分量，并作为所述第一个齿轮转动方程的边界条件；

将所述齿轮箱的输出端负载作为最后一个齿轮的转动方程的边界条件。

4.如权利要求3所述的基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：

设置齿轮之间的初始弹性系数，以及齿轮之间弹性引起的转动角度变化修正值，计算得到齿轮间弹性引起的转动力矩；

设置齿轮之间的间隙，以及齿轮之间间隙引起的转动角度变化的修正值，计算齿轮之间间隙引起的转动力矩；

由所述齿轮间弹性引起的转动力矩和齿轮之间间隙引起的转动力矩构成所述齿轮所受外力引起的力矩。

5.如权利要求4所述的基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：

根据所述每一个齿轮的半径以及该齿轮所受外力引起的力矩，计算得到该齿轮所受的外力；

根据所述每一个齿轮的质量以及该齿轮在自身坐标系下所受的惯性力，以及该齿轮所受的外力，根据齿轮平动方程计算得到该齿轮质心在自身坐标系下的位移。