[发明专利]一种基于机械结构应力分布的实时仿真系统

说明书

本发明公开了一种基于机械结构应力分布的实时仿真系统，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。数字孪生模型文件中包括力在逐渐加载的过程中机械结构仿真对象的三维网格特征坐标数据，以及仿真结果离散数据拟合的多项式函数系数矩阵数据。传感器模块测量机械结构所受力约束的实时实测数据。数字孪生实时仿真模块用于得出基于有限元仿真软件的理论实时仿真结果，并对理论实时仿真结果进行校验。本发明解决了物理机械在实际工作过程中受力情况无法直观具体表示的问题，具有极高的实时性与直观性，并保证了仿真结果的准确性以及数据的同步性。

技术领域

本发明属于数字孪生领域，具体涉及一种基于机械结构应力分布的实时仿真系统。

背景技术

数字孪生技术(Digital Twin Technology)是指利用虚拟模型来模拟和优化物理实体的运行情况，是一种新型的智能制造技术。通过产品在研发设计阶段的仿真模拟数据，结合实际生产运行过程的历史数据，实现其全生命周期的数字模型与真实产品的实时状态检测、基本物理属性模拟以及状态过程预测。

数字孪生技术作为一种新型的多学科融合技术，具有非常强的通用性及实用性，因此适用于极为广泛的工业场景，可以被应用在产品设计及制造、车间调度、物流管理、工程建设、设备维护等方面。

目前，重载荷搬运机械极大地降低了大型重装货物搬运过程中人力物力成本，并且在建筑施工、码头转运等场景中被广泛应用。然而，实际工程场景不同于实验室或有限元仿真环境，重载荷搬运机械在实际应用时将有可能面临雷暴、地震、冰灾等极端天气情况，抑或施工人员操作失误，不按规定操作吊装设备等人为不当行为，使得吊装设备工况提前失效。然而目前仍旧没有针对重载荷搬运机械起吊搬运机械工况实施有效的全方位监控手段。通过数字孪生技术，可以将现实世界中的对象完美地复刻到虚拟世界中，以实现在虚拟世界中对现实对象的全方位状态检测。因此在数字孪生技术的加持下，将有效避免机械结构中因突发状况而导致强度失效、意外坍塌等事故的发生，及时反馈机械结构的应力分布状况，预报其中易发生意外状况的结构部位，方便维护人员的针对机械结构的后期保养与检修，降低事故发生的概率。

发明内容

针对上述技术存在的问题，本发明提供了一种基于机械结构应力分布的实时仿真系统，实现对于工程设备中机械结构的应力分布的实时模拟、仿真、检测及预报。

一种基于机械结构应力分布的实时仿真系统，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所需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1.力在逐渐加载的过程中机械结构仿真对象的三维模型网格节点对应的坐标信息2.力在逐渐加载的过程中仿真结果离散数据拟合的多项式函数系数矩阵数据。

所述传感器模块用于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，其中包括用于测量机械结构的选定节点处的空间姿态实时数据的重力加速度传感器，以及用于测量机械结构特定部位的应力值实时数据的电阻式应变片，电阻式应变片阻值通过应变放大转换器转换为电信号。

所述数据通信模块将安装于机械结构仿真对象上的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。数据通信模块使用具有通信功能的开发板作为硬件载体，与数字孪生实时仿真模块之间使用MQTT作为通信协议。

所述数字孪生实时仿真模块用于将数据通信模块中所接收的重力加速度传感器的机械结构仿真对象的实测数据，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。