數字孿生在船舶軸系試驗平臺中的應用探討

張曉陽，孫 鋒，孫 玲

(1.海軍駐246廠代表室，遼寧 大連 116000；2.中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

軸系試驗平臺是開展船舶軸系相關設備部件性能分析的重要手段之一，通過真實試驗采集獲得對部件性能的了解或者獲得相關狀態診斷的判據知識是臺架的重要功能。但受限于試驗場地、試驗時間、試驗設備、成本等客觀條件的限制，當前利用軸系試驗平臺獲取判據知識仍存在著很多的困難，如難以通過破壞性試驗的方法獲取軸系在不同故障狀態的數據等。數字孿生的出現為解決上述問題提供了一種新的思路，數字孿生集成多物理、多尺度、多學科屬性，具有虛實融合、實時交互連接、迭代優化以及全流程數據驅動等特點[1-3]，可以為相關的仿真應用提供分析、預測、決策等支撐作用，并將仿真結果反饋給物理對象，從而幫助物理對象進行優化和決策。這為實時、準確、動態處理軸系試驗平臺的各種信息提供了新的方法。在船舶行業，對于數字孿生的認知大部分還處于理論研究層面，行業內對于數字孿生組織管理方式也沒有形成共識，這對數字孿生的應用發展極為不利，有必要開展相關的研究。

2003年Grieves教授提出了最早的數字孿生概念，當時被定義為三維模型，包括3個部分，分別是物理實體部分、虛擬部分以及兩者之間的連接部分[4]。但受限于當時的技術發展，數字孿生并沒有得到重視。到了2011年，在航天領域，美國NASA和美國空軍研究實驗室合作提出了面向飛行器的數字孿生體，給出了數字孿生的具體概念，即數字孿生是集成了多物理量、多尺度以及概率模型的系統，其通過機理模型、數據驅動模型、傳感器的更新數據以及歷史數據反映實體飛行器的狀態[5]。此后的幾年中，美國NASA又不斷進行數字孿生的研究，數字孿生也開始被眾多學者關注，不斷在NASA提出的數字孿生相關概念和定義基礎上進行修改和完善，并將數字孿生擴展到除了航空航天以外的其他行業和領域。

1 孿生體的構建與管理

1.1 構建原則

為了實現軸系試驗平臺數字孿生體在要素、行為和規則3個方面的目的，數字孿生體在構建過程中應當滿足以下幾個原則。

1) 強交互特性。軸系試驗平臺數字孿生體需要和用戶進行直接交互作用，需要用戶能夠對數字孿生體進行相關操作，并且將反饋信息呈現給用戶。用戶能夠非常直觀地了解軸系試驗平臺相關運行狀態信息，在用戶使用過程中，對用戶的操作及時給出提示，數字孿生體和用戶之間應當具備較強的交互性能，提升用戶的體驗感。

2) 真實行為特征。數字孿生體在構建過程中，應實現對軸系試驗平臺物理實體的真實映射，盡可能模擬真實的情況，并且遵守物理實體的物理規則，真實的行為特征可以為用戶帶來更好的體驗。

3) 實現虛實融合。數字孿生體重要特點之一是虛實融合，實現物理實體與虛擬模型融合是數字孿生體的內涵之一。

4) 合適的組織管理層次。數字孿生體包括物理實體、虛擬模型、系統服務和孿生數據等多種組成部分，每個組成部分都由各個子系統組成，因此數字孿生體必須有良好的組織管理特性，從而實現對數字孿生體的管理，并且在構建過程中方便對數字孿生體的搭建，在使用時方便用戶使用數字孿生體的各個系統服務，在運行時方便對其進行維護和更新。同時數字孿生體也應該具有管理功能，對物理實體的全生命周期數據進行高效管理，發揮出數據的最大價值。

5) 效率和效果的平衡性。由于數字孿生體組成部分多，虛擬模型中需要對幾何模型進行渲染，對材料進行處理，對仿真模型進行運算，對規則模型進行分析，同時數字孿生體是由數據驅動的，會產生大量的數據交互和數據計算分析，這就對數字孿生體運行載體提出了較高的要求。因此，無論是在數字孿生體構建過程中，還是在運行過程中，都應該在滿足數字孿生體相關功能需求的前提下進行優化，降低數字孿生體的使用門檻，提高數字孿生體的使用范圍。

1.2 對象選取原則

數字孿生體構建對象選取需要遵循以下原則。

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。構建數字孿生體的最終目的是實現對物理實體精確地操作，研究物理實體更深入的內在邏輯，通過合理正確的推理，使物理實體能達到最合適的狀態。

2) 存在獲取對象相關狀態的手段。能夠獲取對象相關狀態信息是構建數字孿生體的關鍵，如部署相應的傳感器以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。

1.3 軸段數字孿生體的構建

圖1為數字孿生體軸段虛擬模型構建示意圖。根據選取的中間軸對象進行分析，創建仿真分析有限元模型，通過仿真軟件提供的命令流導出功能，生成命令流模板文件，對模板文件進行分析，提取關鍵參數，根據不同的工況條件生成新的命令流文件，新命令流文件導入到仿真軟件中進行仿真分析計算，得到在新的工況條件下的分析計算結果，對結果進行驗證后進行保存。其關鍵步驟如下。

1) 開發模型參數輸入界面。數字孿生體中虛擬模型是進行計算分析的關鍵，一般依托于數字計算仿真軟件如ANSYS等進行，首先根據分析類型的不同，通過軟件的界面操作建立有限元仿真分析模型，其次根據軟件提供的命令流導出功能，生成此模型的命令流模板。再根據數字孿生體的需要從命令流中提取關鍵特征參數，利用程序語言開發平臺開發參數輸入界面。

2) 參數替換。根據開發的參數輸入界面，可以實現模型的構建，根據此部分，數字孿生體在模擬軸系運轉時，通過傳感器獲取軸系的運行情況，通過改變參數即可實現從軸段實體到數字空間的映射，并形成新的命令流文件。

3) 計算分析。將生成的命令流文件導入到數字計算軟件中，不需要再進行額外的邊界條件添加即可進行分析計算。

4) 計算結果提取。將計算分析得到的結果進行提取，包括應力分析數據、應力分布云圖、振動分析數據、振動分布云圖等。

5) 計算結果存儲。將提取的結論數據和圖片按照一定的管理方式進行保存，并能夠在需要的時候方便快速的提取。

1.4 數字孿生體的管理

數字孿生體需要進行管理，合理有效的管理方法能夠充分發揮數字孿生體特點，高效發揮作用，實現應有的功能。孿生體應該具有如下管理功能。

1) 孿生體對模型的管理功能。模型是孿生體的重要組成部分，強化對孿生體模型的管理可以更好地發揮孿生體作用。在物理實體對象中，模型的存在形式可以有多種方式，如實體模型、有限元分析模型等，孿生體需要對不同的模型進行管理。

2) 孿生體對真實試驗臺架的指導建議功能。孿生體能夠指導試驗臺架進行開展相關試驗的研究，如指導確定相關傳感器的安裝位置等。

3) 孿生體對計算結果分析方法管理功能。孿生體計算的結果有些并不能直接使用，需要經過分析處理后才能指導實際的軸系試驗臺架運行。真實試驗臺架在開展試驗研究時，受限于客觀條件的限制，只能布置有限個傳感器獲取軸系運行狀態信息，而數字孿生體計算分析的結果是針對整個軸系的，因此要建立孿生體計算結果與軸系測點的對應關系，實現孿生體的虛實結合。

4) 孿生體對臺架運行趨勢預測的管理功能。在建立了孿生體與軸系試驗臺架測點位置的對應管理之后，就需要根據孿生體實現所需要的功能管理。孿生體最主要功能之一是可以實現對軸系試驗臺架的運行趨勢預測，在還未進行試驗研究之前，利用數字孿生體模擬試驗臺架的運行。但目前已有的技術手段較難實現實時仿真模擬運算，因此采用事先計算分析的方法，然后通過數據管理方法對數據進行分析，進而實現對臺架運行狀態的趨勢預測，并在開展試驗時根據試驗結果對仿真模型進行修正，進而實現模型的迭代優化。

數據孿生體需要對物理實體的設計階段、運行維護階段的數據進行管理，包括物理實體采集獲取的數據、模型的數據、計算的數據、不同工況條件下的運行狀態數據等。圖2為數字孿生體管理數據功能流程示意圖。

圖2 數字孿生體管理數據功能流程示意圖

設計制造階段數據管理：主要包括幾何尺寸數據、材料屬性數據、制造數據、安裝過程的數據等。運行維護數據管理：包括對日常運行數據、數字孿生體計算分析數據以及經過數據挖掘分析獲得的判據知識的管理。物理實體在日常運行時，會由于各種原因造成基本幾何尺寸和邊界條件發生變化，如由于軸系冷卻水管路長期運行造成水垢堵塞現象會影響冷卻水流速，中間軸承軸瓦由于磨損造成軸瓦厚度變薄，這都會對孿生體的計算分析結果造成影響，在使用孿生體時應充分考慮到這些因素對孿生體的影響，實現虛實結合。

2 孿生體的管理示例

以某進行軸系軸徑優化的試驗平臺為例，其需要構建基于振動方法進行軸段狀態判斷的數字孿生體，軸段振動數字孿生體搭建的核心工作主要包括振動分析計算模型的創建、模型的組織管理和計算分析數據的組織管理。

在孿生體中，首先需要對相關的數據及計算結果進行合理的組織與管理，在軸系試驗平臺最危險截面和次危險截面均有裂紋時，不同深度的裂紋振幅變化對比示意圖如圖3所示。

圖3 不同深度的裂紋振幅對比示意圖

在孿生體數據知識管理基礎上，在試驗臺架運行時，就可以根據孿生體中的知識結合實際傳感器獲取的數據分析，進行臺架運作狀態的評判，基于數字孿生體的狀態輔助判斷示意圖如圖4所示。

圖4 基于數字孿生體的狀態輔助判斷示意圖

孿生體的數據會處于動態的變化過程中，這種變化體現在2個方面。第一是數據自身的變化，如不同狀態的數據趨勢不同；第二是數據的來源會發生變化，如根據實際情況的分析，需要在對應的物理實體上增加或減少傳感器的測點、增加或者減少傳感器的類型等。可以看到，數字孿生體搭建完成后，并非一成不變，而是每個組成部分都有可能會發生動態的改變，并且這種變化是循環調整的，調整了一個方面，其余的也需要跟著發生變化，因此有合適的數字孿生體的管理手段和方案，才能簡化數字孿生體的推演調整過程，讓數字孿生體發揮更好的作用。

3 結束語

本文對數字孿生體技術的應用進行梳理，提煉總結出數字孿生體的構建原則和數字孿生體的對象選取原則，分析了軸段數字孿生體的構建具體過程。在此基礎上，論述了數字孿生體管理的意義，并以軸系試驗平臺為例，論述了數字孿生體應具有的具體管理功能。最后針對具體的試驗臺架進行了孿生體的管理示例說明。現有研究主要集中于孿生體的功能實現，而很少關注到其管理需求和管理功能，為更好地發揮其作用、降低構建同類數字孿生體的難度，應充分關注數字孿生體的平臺化構建與管理的方法。