數字孿生體技術在船舶軸系試驗臺架中的應用研究

劉 杰，陳世偉，韓博志，李 強，陳新華

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063;2.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715)

軸系試驗臺架是研究船舶軸系相關性能及運行機理的主要方式之一，通過軸系試驗臺架，可以實現船舶軸系動力特征和故障機理的相關研究方法，從而達到減少軸系故障，提高軸系在航行時穩定性的目的。但受限于試驗場地、傳感器安裝條件、成本等相關條件的限制，在研究軸系故障診斷、狀態識別的過程中，存在缺乏部分判據知識的獲取方法，以及判據知識獲取困難等問題。而目前越來越受到學者重視的數字孿生方法為解決該類問題提煉一種新的思路。針對如何構建軸系臺架相關設備的數字孿生體、如何進行對象選取、如何構建孿生體的技術服務等進行研究具有現實應用價值。

1 數字孿生體技術背景

1.1 數字孿生體技術

數字孿生(digital twin)以數字化的方式建立物理實體的多維、多時空尺度、多學科、多物理量的動態虛擬模型，來仿真和刻畫物理實體在真實環境中的屬性、行為、規則等[1-2]。陶飛提出的數字孿生五維通用模型，為數字孿生的應用提供了理論基礎[3]。

對于軸系試驗平臺，根據數字孿生通用五維模型，完整的數字孿生體應包括物理實體、虛擬實體、系統服務、孿生數據以及之間的連接部分[3]。因此，軸系試驗平臺數字孿生的組成如下。

1)物理實體。物理實體指的是軸系試驗臺架物理空間組成部分，即現實中存在的組成部分。包括軸系試驗臺架各組成部分的幾何尺寸信息、材料屬性信息，如軸段、中間軸承、水潤滑軸承、減速器、液壓加載裝置和相關管路等。

2)虛擬實體。虛擬實體是軸系試驗平臺在虛擬空間的表現，是物理實體的“鏡像”。可以由3個子模型組成：由實體的幾何尺寸、材料屬性、約束條件、特征信息等所構建的仿真模型；由內部運行機制及外部干擾影響描述的行為模型；由表示軸系相關數據分析、經驗知識、標準準則組成的規則模型。

3)系統服務。系統服務是數字孿生體發揮價值的關鍵部分，也是呈現給用戶使用最直觀的部分。根據軸系試驗平臺提供的真實數據，通過連接將數據在虛擬空間中進行分析處理，從而為使用人員提供各種服務。如實體模型的可視化構建工具、仿真模型的構建工具、軸系故障診斷、狀態識別等服務功能。

4)孿生數據。數據是軸系試驗平臺數字孿生體的核心，也是數字孿生技術應用的驅動。包括軸系物理空間實體數據、虛擬實體數據、服務數據、知識數據以及融合衍生數據等。通過對數據的挖掘分析獲得新的知識是數字孿生體應用的關鍵。

5)連接部分。包括上述物理實體、虛擬實體、系統服務以及孿生數據之間的連接，及每個組成部分內部數據的連接。

1.2 應用價值

通過搭建軸系試驗平臺數字孿生體，實現軸系試驗平臺在虛擬空間的映射，根據獲取的物理空間數據，導入到虛擬空間中進行運算，進而高效、實時、準確、動態地獲取軸系運行狀態，這對于研究軸系動力特征和故障機理，獲取相關判據知識，進而實現船舶安全航行具有重要意義。

2 數字孿生體的構建技術

2.1 數字孿生的對象選取

軸系試驗平臺數字孿生體構建對象的選取需要遵循以下幾個原則。

1)存在物理空間實體，物理空間對象的存在是構建數字孿生體的基礎，沒有物理空間實體的對象，無法進行數字孿生體的搭建。

2)存在獲取對象相關狀態的手段，如部署相應傳感器獲取需要的物理實體的相關運行狀態。

3)存在對選取對象實現運行狀態調節的手段，如有相應控制系統、執行系統等用于改變被選取對象的運行狀態。

4)具有搭建數字孿生體的應用價值，如通過數字孿生體進行故障診斷、狀態識別、壽命預測等可以獲得相應的價值。

2.2 數字孿生體構建的關鍵步驟

數字孿生體構建的關鍵步驟如下。

1)構建實體模型。根據選取對象的具體特征，利用參數化繪圖技術，構建所需要的孿生體實體部分的三維模型。

2)將物理實體映射到虛擬模型。從實體模型到虛擬模型之間的雙向映射和數據實時交互是數字孿生體構建的核心[4]。數字孿生體關系模型如圖1所示，虛擬模型通過傳感器、數據采集系統提供的接口、人工測量的數據等獲取到軸系試驗平臺的實際運行狀態。再根據已有理論知識、經驗知識以及約束條件、算法和約束等對軸系試驗平臺進行計算分析，分析的結果對比知識庫產生反饋信號，對軸系試驗平臺進行反饋修正。

圖1 數字孿生體關系模型

3)規則模型構建。規則模型的核心在于知識庫的建立，知識庫中的知識來源主要包括經驗知識、理論計算分析、通過案例知識進行智能算法訓練等。經驗知識一般來源于專家知識的收集、整理、提煉，形成能用計算機語言表示的方式。理論分析計算主要采用仿真分析計算軟件模擬計算。案例知識來源于實際監測的數據與理論分析計算的數據，實際監測的數據會對理論計算的數據進行修正。規則模型構建完畢后，就具備了提供服務的前提條件，系統服務主要包括故障診斷、狀態識別等，可以根據實測的數據與知識對比輸出結論。規則模型構建過程示意圖如圖2所示。

圖2 規則模型構建過程示意圖

4)仿真模型構建。根據分析對象和分析類型的不同，數字孿生體在進行分析計算的時候需要選取不同的方法，常用的方法有仿真分析計算、理論計算、歷史經驗獲取等。其中仿真分析計算需要采用仿真軟件進行計算，仿真分析模型計算示意圖如圖3所示。根據選取的對象和分析的類型，建立仿真分析模型，計算得出結論，仿真分析計算的結論會用來進行模型邊界條件的修正，修正后的模型會繼續進行分析，直到接近于真實情況，同時，實際監測的數據也會用于對模型的修正。

圖3 仿真分析模型計算示意圖

3 應用驗證

3.1 物理實體

軸系試驗平臺組成部分較多，包括電機系統、減速器系統、中間軸承系統、水潤滑軸承系統、冷卻水系統、液壓系統、軸心軌跡測量系統等部分。根據前述數字孿生體選取對象的原則，選取軸系試驗平臺中間軸承作為數字孿生體的構建對象，分析類型選取中間軸承溫度分析。中間軸承具有測量軸瓦溫度的溫度傳感器，能夠通過調節冷卻水進口溫度和流量控制對軸瓦的冷卻效果。

3.2 虛擬模型

根據分析的對象，由測量的幾何尺寸數據，利用參數化繪圖工具，構建其數字孿生仿真模型，中間軸承實體模型如圖4所示。

圖4 中間軸承實體模型

中間軸承在運行時，熱量來源主要是軸與軸承的摩擦生熱，再通過滑油將熱量傳遞給冷卻水帶走，滑油大部分經過冷卻水冷卻散熱，通過空氣與軸承自然對流換熱對結果的影響可忽略不計，使得滑油的溫度處于一個合適的范圍內。軸系試驗平臺環境溫度可以通過放置在現場的溫度計測得。

中間軸承內部摩擦生熱根據公式(1)計算：

Q=f·F·v0,

(1)

式中，Q為發熱量；f為摩擦因數；F為徑向加載力；v0為線速度。

中間軸承在穩定運行時，潤滑油膜可視為穩定油膜，滑油速度為軸的線速度，計算公式如(2)所示：

(2)

式中,n為轉速，r/min；r為軸的半徑，m。

冷卻水和潤滑油的雷諾數Re可由公式(3)計算，進而判斷其流動狀態：

Re=ρv1d/μ,

(3)

式中,Re為雷諾數;ρ為滑油或冷卻水密度;v1為滑油或冷卻水流速;d為滑油或冷卻水管道流動特征長度；μ為滑油或冷卻水黏性系數。

3.3 試驗結果

選取了幾種典型工況條件的同時進行了臺架測試試驗與虛擬仿真計算，不同工況下仿真計算結果如表1所示，仿真分析計算結果如圖5所示。

由表1和圖5可知，真實情況下軸瓦溫度與模擬運算結果基本一致。表明搭建的數字孿生體能夠模擬及獲取軸系試驗臺架軸承的相應運行狀態。在此基礎上，充分利用數字孿生體的優勢，在各種不同工況條件下進行大量仿真運算，將結果保存在數字孿生體數據庫中，利用此數字孿生體提供狀態監測和故障預測服務。

表1 不同工況下仿真計算結果

圖5 仿真分析計算結果

4 中間軸承孿生體服務

數字孿生體搭建完畢后，利用軟件開發的方法，將虛擬模型進行服務化封裝，通過開放相應的接口，對參數進行修改，其中直接參數是服務使用者可以修改的，間接參數在封裝好的模型內部進行運算分析。數字孿生體通過界面顯示等手段將虛擬模型的三維視圖及運算結果顯示給服務使用者。

在界面上可以輸入相關參數信息，如轉速、冷卻水進口溫度、冷卻水進口流量、環境溫度等，可以查看三維模型視圖及虛擬運算結果。

服務程序封裝完成后，使用者可以通過服務程序進行在各種不同工況下的虛擬分析，并將結果保存在數據庫中，完善知識庫。在不進行真實試驗的情況下，利用數字孿生體進行模擬試驗。在試驗臺架真實運行時，根據實測的軸系臺架相關數據，對比數據庫中的數據，進行如下服務。

1)狀態識別。通過實時監測的軸系試驗臺架數據，將數據傳輸到虛擬模型中，根據封裝的服務APP，獲得當前狀態下的虛擬試驗結果，判斷當前運行狀態。

2)故障預測。在進行真實臺架試驗時，通過監測得到的試驗數據，對比當前工況下數字孿生體的數據，如果發現超出正常范圍，根據知識庫中數據進行判斷分析，及時發出預警信號，提醒用戶可能發生的故障。

5 結束語

本文從對象選取、模型構建等方面，提出了軸系試驗平臺數字孿生體構建方法，并以軸系試驗平臺中間軸承為分析對象，對方法進行驗證。結果表明，軸系試驗平臺數字孿生體能夠為軸系故障診斷、狀態識別等服務提供判據條件，能夠實現根據傳感器獲取的數據判斷當前軸系試驗平臺中間軸承的狀態信息。但因為數字孿生體涉及的子部位較多，與軸系物理實體的雙向交互及實時映射還需要進一步加強，對軸系試驗臺架整體的數字孿生體的應用還需要進一步的研究完善。