[发明专利]一种基于机械结构应力分布的实时仿真系统

权利要求书

1.一种基于机械结构应力分布的实时仿真系统，其特征在于，包括机械结构仿真对象、数字孪生模型文件、传感器模块、数据通信模块、数字孪生实时仿真模块和实时界面显示模块；

所述机械结构仿真对象是指物理世界中进行实时仿真的具体机械设备结构；

所述数字孪生模型文件中包括力在逐渐加载的过程机械结构仿真对象的三维模型网格节点对应的坐标信息，以及力在逐渐加载的过程仿真结果离散数据拟合的多项式函数系数矩阵数据；

所述传感器模块安装在机械结构仿真对象上，用于测量机械结构仿真对象所受力约束的实时实测数据，包括测量机械结构的节点处的空间姿态实时数据的重力加速度传感器，以及测量机械结构各部位的应力值实时数据的电阻式应变片；

所述数据通信模块将传感器模块测量的实时实测数据传达至数字孪生实时仿真模块；

所述数字孪生实时仿真模块将数据通信模块所接收的重力加速度传感器的机械结构仿真对象的实时实测数据，作为参数加入到数字孪生模型文件中保存的多项式函数系数矩阵进行多项式计算，得出基于有限元仿真软件的理论实时仿真结果，并通过传感器模块中的电阻式应变片对理论实时仿真结果进行校验；

所述实时界面显示模块用于显示数字孪生模型文件在传感器测得的数据下的理论实时仿真结果，得到云图方式绘制的应力分布状态，以应力云图的方式显示各部位应力值大小的差异，用三维模型网格节点的坐标信息显示机械结构仿真对象的模型形变特征信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于机械结构应力分布的实时仿真系统，其特征在于，所述重力加速度传感器安装的节点位置为力的施加处，经有限元理论计算，得到对应施加力情况下的机械结构发生形变时节点处的姿态角度信息，由姿态角度信息得到施加力的实时实测数据；

所述电阻式应变片的安装位置在机械机构各部件的连接交叉点和各部件整体结构的均布点位置上。

3.根据权利要求2所述的一种基于机械结构应力分布的实时仿真系统，其特征在于，设置偏差阈值，如果同一节点处数字孪生实时仿真模块进行校验的理论实时仿真结果与应变传感器实时实测数据的偏差大于偏差阈值，且不是因系统误差和随机误差引起的，便及时停止实时显示界面模块对理论实时仿真结果的显示，并向操作人员发出警告，提示存在机械结构的性能失效，以及建议操作人员停机检查机械设备的可靠性。

4.根据权利要求3所述的一种基于机械结构应力分布的实时仿真系统，其特征在于，所述数据通信模块使用具有通信功能的开发板作为硬件载体，传感器模块与数字孪生实时仿真模块之间通过数据通信模块采用MQTT通信协议进行传输。

5.根据权利要求4所述的一种基于机械结构应力分布的实时仿真系统，其特征在于，所述重力加速度传感器串行时钟接口与开发板中I2C协议传递时钟信号的引脚接口相接，用于共享时钟信号；串行数据接口与开发板中I2C协议传递数据的接口相接，用于接收和发送数据；

电阻式应变片的两端分别与应变放大转换器中的电桥相接，电阻式应变片的阻值由应变放大转换器中的电桥测得，并经过应变放大转换器的放大并转换为电信号，电信号由应变放大转换器的输出端口输出到开发板的数据交换接口。

6.根据权利要求5所述的一种基于机械结构应力分布的实时仿真系统，其特征在于，所述数字孪生实时仿真模块和实时界面显示模块基于JavaScript语言开发，其中实时界面显示模块基于JavaScript的WebGL实例图形学库Three.js开发，所述的实时仿真系统在具备JavaScript运行时环境以基于Chromium内核的浏览器的系统下运行。