[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

说明书

本发明公开了一种基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估方法，通过构建齿轮箱中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；将测量得到的齿轮箱的运动幅值和相位对传动模型中的每一个齿轮对的弹性系数进行校正，得到每一个齿轮对修正后的传动模型；将获取的齿轮箱的当前输入端转速和输出端负载输入修正后的传动模型，并结合有限元仿真分析，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；根据疲劳分析公式得到每一个齿轮轴上每一个位置的剩余折损次数，得到每一次检测之后每一个齿轮轴上每一个位置所剩余寿命的百分比。本发明基于计算机辅助技术能够对齿轮箱的剩余寿命进行动态评估。

技术领域

本发明涉及计算机辅助优化技术领域，尤其涉及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。

背景技术

预测与健康管理(Prognostics and health management, PHM)已在航空航天、民用飞机、核反应堆、汽车多领域统被实践证明是一个可行的路径，通过对长寿命高可靠性部件进行系统失效提前预警，便于对系统进行视情维护。设备的性能退化过程是依赖于设备的运行状态的，例如设备在不同状态下的运行时间以及运行状态的切换次数都会给设备的退化轨迹带来很大影响。并且由于设备运行任务和运行时间的随机性，设备在各个运行状态下的逗留时间也是随机的。此外，即使设备一直处于某一运行状态，该设备的性能退化也是具有一定的随机性的。现存的大多数研究不同工作环境下设备剩余寿命预测的方法都是基于蒙特卡洛仿真或者数值计算的方法，这类方法往往计算量巨大，实时性不高。

各类旋转设备是系统装置正常运转的基础和载体，大多数的事故起因源于设备关键部位的失效。一旦设备发生故障，生产装置的正常运行将无法得到保障，由此可见，对设备进行寿命分析、实时掌握设备可靠性状况具有十分重要的意义。与设备相关的寿命数据和维修数据是设备工程师掌握装置安全状况、合理规划检维修计划的重要组成部分。设备制造商给出的可靠性参数又过于乐观，导致可靠性评估偏差过大，国外商用数据库存在使用环境和维护条件与工厂生产实际不匹配的问题，随着高新技术的不断革新，现代设备的高度集成化、智能化及问题分析处理能力的高效化日益增强，与之相对的即是设备的故障诊断、维修和可靠度越来越受到人们的关注。

齿轮箱是现代工业设备传动链中的关键部件，在机械设备运行时受到各种各样的载荷，这些载荷使齿轮箱体容易受到疲劳损伤而失效。齿轮箱一旦发生故障，将会对整个机械设备的可靠运行造成最直接的影响，往会给人们带来灾难性的后果，因此对结构进行疲劳分析具有重要意义。据统计，机械设备或者结构的破坏有50％一90％与疲劳有关。随着可靠性水平的不断提高，寿命评估面临着一个长寿命高可靠试样的评估问题。现有技术中通过采集设备运行状态的监测数据为基础进行故障预测，故障数据的采集复杂并且难度大，故障数据一旦失效后将导致方案的失效，其方法模型适用性差；设备寿命预测的数据算法通常以人工经验为主，其算法具有较大的随机性并且对输入的数据要求比较高，其算法复杂，运算速度慢。如果按照传统的寿命试验技术进行评估，则往往难于在可行的时间内完成。从试验的经济性和试验周期的可行性考虑，我们无法直接从设备的原始振动去研究它的疲劳寿命。因此，需要利用仿真的手段获取疲劳破坏的实验数据。

随着计算机技术和数值计算方法的发展，CAE(Computer Aided Engineering，计算机辅助工程)技术在高速列车产品的开发过程中发挥着越来越重要的作用。借助CAE强大的仿真功能，我们可以在产品设计初期，建立合理的有限元模型，然后对它进行一系列的仿真分析，找出设计中的缺陷和不足之处，加以改进或者优化，这样就可以大大缩短产品开发周期，节省大量的成本。

发明内容

鉴于此，本发明提供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，基于计算机辅助技术，通过构建齿轮箱传动模型和有限元仿真分析，能够对齿轮箱的剩余寿命进行动态评估。

为实现上述目的，本发明提供一种基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估方法，所述方法包括：