数字孪生体技术在船舶轴系试验台架中的应用研究

刘 杰，陈世伟，韩博志，李 强，陈新华

(1.武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063;2.中船黄埔文冲船舶有限公司，广东 广州 510715)

轴系试验台架是研究船舶轴系相关性能及运行机理的主要方式之一，通过轴系试验台架，可以实现船舶轴系动力特征和故障机理的相关研究方法，从而达到减少轴系故障，提高轴系在航行时稳定性的目的。但受限于试验场地、传感器安装条件、成本等相关条件的限制，在研究轴系故障诊断、状态识别的过程中，存在缺乏部分判据知识的获取方法，以及判据知识获取困难等问题。而目前越来越受到学者重视的数字孪生方法为解决该类问题提炼一种新的思路。针对如何构建轴系台架相关设备的数字孪生体、如何进行对象选取、如何构建孪生体的技术服务等进行研究具有现实应用价值。

1 数字孪生体技术背景

1.1 数字孪生体技术

数字孪生(digital twin)以数字化的方式建立物理实体的多维、多时空尺度、多学科、多物理量的动态虚拟模型，来仿真和刻画物理实体在真实环境中的属性、行为、规则等[1-2]。陶飞提出的数字孪生五维通用模型，为数字孪生的应用提供了理论基础[3]。

对于轴系试验平台，根据数字孪生通用五维模型，完整的数字孪生体应包括物理实体、虚拟实体、系统服务、孪生数据以及之间的连接部分[3]。因此，轴系试验平台数字孪生的组成如下。

1)物理实体。物理实体指的是轴系试验台架物理空间组成部分，即现实中存在的组成部分。包括轴系试验台架各组成部分的几何尺寸信息、材料属性信息，如轴段、中间轴承、水润滑轴承、减速器、液压加载装置和相关管路等。

2)虚拟实体。虚拟实体是轴系试验平台在虚拟空间的表现，是物理实体的“镜像”。可以由3个子模型组成：由实体的几何尺寸、材料属性、约束条件、特征信息等所构建的仿真模型；由内部运行机制及外部干扰影响描述的行为模型；由表示轴系相关数据分析、经验知识、标准准则组成的规则模型。

3)系统服务。系统服务是数字孪生体发挥价值的关键部分，也是呈现给用户使用最直观的部分。根据轴系试验平台提供的真实数据，通过连接将数据在虚拟空间中进行分析处理，从而为使用人员提供各种服务。如实体模型的可视化构建工具、仿真模型的构建工具、轴系故障诊断、状态识别等服务功能。

4)孪生数据。数据是轴系试验平台数字孪生体的核心，也是数字孪生技术应用的驱动。包括轴系物理空间实体数据、虚拟实体数据、服务数据、知识数据以及融合衍生数据等。通过对数据的挖掘分析获得新的知识是数字孪生体应用的关键。

5)连接部分。包括上述物理实体、虚拟实体、系统服务以及孪生数据之间的连接，及每个组成部分内部数据的连接。

1.2 应用价值

通过搭建轴系试验平台数字孪生体，实现轴系试验平台在虚拟空间的映射，根据获取的物理空间数据，导入到虚拟空间中进行运算，进而高效、实时、准确、动态地获取轴系运行状态，这对于研究轴系动力特征和故障机理，获取相关判据知识，进而实现船舶安全航行具有重要意义。

2 数字孪生体的构建技术

2.1 数字孪生的对象选取

轴系试验平台数字孪生体构建对象的选取需要遵循以下几个原则。

1)存在物理空间实体，物理空间对象的存在是构建数字孪生体的基础，没有物理空间实体的对象，无法进行数字孪生体的搭建。

2)存在获取对象相关状态的手段，如部署相应传感器获取需要的物理实体的相关运行状态。

3)存在对选取对象实现运行状态调节的手段，如有相应控制系统、执行系统等用于改变被选取对象的运行状态。

4)具有搭建数字孪生体的应用价值，如通过数字孪生体进行故障诊断、状态识别、寿命预测等可以获得相应的价值。

2.2 数字孪生体构建的关键步骤

数字孪生体构建的关键步骤如下。

1)构建实体模型。根据选取对象的具体特征，利用参数化绘图技术，构建所需要的孪生体实体部分的三维模型。

2)将物理实体映射到虚拟模型。从实体模型到虚拟模型之间的双向映射和数据实时交互是数字孪生体构建的核心[4]。数字孪生体关系模型如图1所示，虚拟模型通过传感器、数据采集系统提供的接口、人工测量的数据等获取到轴系试验平台的实际运行状态。再根据已有理论知识、经验知识以及约束条件、算法和约束等对轴系试验平台进行计算分析，分析的结果对比知识库产生反馈信号，对轴系试验平台进行反馈修正。

图1 数字孪生体关系模型

3)规则模型构建。规则模型的核心在于知识库的建立，知识库中的知识来源主要包括经验知识、理论计算分析、通过案例知识进行智能算法训练等。经验知识一般来源于专家知识的收集、整理、提炼，形成能用计算机语言表示的方式。理论分析计算主要采用仿真分析计算软件模拟计算。案例知识来源于实际监测的数据与理论分析计算的数据，实际监测的数据会对理论计算的数据进行修正。规则模型构建完毕后，就具备了提供服务的前提条件，系统服务主要包括故障诊断、状态识别等，可以根据实测的数据与知识对比输出结论。规则模型构建过程示意图如图2所示。

图2 规则模型构建过程示意图

4)仿真模型构建。根据分析对象和分析类型的不同，数字孪生体在进行分析计算的时候需要选取不同的方法，常用的方法有仿真分析计算、理论计算、历史经验获取等。其中仿真分析计算需要采用仿真软件进行计算，仿真分析模型计算示意图如图3所示。根据选取的对象和分析的类型，建立仿真分析模型，计算得出结论，仿真分析计算的结论会用来进行模型边界条件的修正，修正后的模型会继续进行分析，直到接近于真实情况，同时，实际监测的数据也会用于对模型的修正。

图3 仿真分析模型计算示意图

3 应用验证

3.1 物理实体

轴系试验平台组成部分较多，包括电机系统、减速器系统、中间轴承系统、水润滑轴承系统、冷却水系统、液压系统、轴心轨迹测量系统等部分。根据前述数字孪生体选取对象的原则，选取轴系试验平台中间轴承作为数字孪生体的构建对象，分析类型选取中间轴承温度分析。中间轴承具有测量轴瓦温度的温度传感器，能够通过调节冷却水进口温度和流量控制对轴瓦的冷却效果。

3.2 虚拟模型

根据分析的对象，由测量的几何尺寸数据，利用参数化绘图工具，构建其数字孪生仿真模型，中间轴承实体模型如图4所示。

图4 中间轴承实体模型

中间轴承在运行时，热量来源主要是轴与轴承的摩擦生热，再通过滑油将热量传递给冷却水带走，滑油大部分经过冷却水冷却散热，通过空气与轴承自然对流换热对结果的影响可忽略不计，使得滑油的温度处于一个合适的范围内。轴系试验平台环境温度可以通过放置在现场的温度计测得。

中间轴承内部摩擦生热根据公式(1)计算：

Q=f·F·v0,

(1)

式中，Q为发热量；f为摩擦因数；F为径向加载力；v0为线速度。

中间轴承在稳定运行时，润滑油膜可视为稳定油膜，滑油速度为轴的线速度，计算公式如(2)所示：

(2)

式中,n为转速，r/min；r为轴的半径，m。

冷却水和润滑油的雷诺数Re可由公式(3)计算，进而判断其流动状态：

Re=ρv1d/μ,

(3)

式中,Re为雷诺数;ρ为滑油或冷却水密度;v1为滑油或冷却水流速;d为滑油或冷却水管道流动特征长度；μ为滑油或冷却水黏性系数。

3.3 试验结果

选取了几种典型工况条件的同时进行了台架测试试验与虚拟仿真计算，不同工况下仿真计算结果如表1所示，仿真分析计算结果如图5所示。

由表1和图5可知，真实情况下轴瓦温度与模拟运算结果基本一致。表明搭建的数字孪生体能够模拟及获取轴系试验台架轴承的相应运行状态。在此基础上，充分利用数字孪生体的优势，在各种不同工况条件下进行大量仿真运算，将结果保存在数字孪生体数据库中，利用此数字孪生体提供状态监测和故障预测服务。

表1 不同工况下仿真计算结果

图5 仿真分析计算结果

4 中间轴承孪生体服务

数字孪生体搭建完毕后，利用软件开发的方法，将虚拟模型进行服务化封装，通过开放相应的接口，对参数进行修改，其中直接参数是服务使用者可以修改的，间接参数在封装好的模型内部进行运算分析。数字孪生体通过界面显示等手段将虚拟模型的三维视图及运算结果显示给服务使用者。

在界面上可以输入相关参数信息，如转速、冷却水进口温度、冷却水进口流量、环境温度等，可以查看三维模型视图及虚拟运算结果。

服务程序封装完成后，使用者可以通过服务程序进行在各种不同工况下的虚拟分析，并将结果保存在数据库中，完善知识库。在不进行真实试验的情况下，利用数字孪生体进行模拟试验。在试验台架真实运行时，根据实测的轴系台架相关数据，对比数据库中的数据，进行如下服务。

1)状态识别。通过实时监测的轴系试验台架数据，将数据传输到虚拟模型中，根据封装的服务APP，获得当前状态下的虚拟试验结果，判断当前运行状态。

2)故障预测。在进行真实台架试验时，通过监测得到的试验数据，对比当前工况下数字孪生体的数据，如果发现超出正常范围，根据知识库中数据进行判断分析，及时发出预警信号，提醒用户可能发生的故障。

5 结束语

本文从对象选取、模型构建等方面，提出了轴系试验平台数字孪生体构建方法，并以轴系试验平台中间轴承为分析对象，对方法进行验证。结果表明，轴系试验平台数字孪生体能够为轴系故障诊断、状态识别等服务提供判据条件，能够实现根据传感器获取的数据判断当前轴系试验平台中间轴承的状态信息。但因为数字孪生体涉及的子部位较多，与轴系物理实体的双向交互及实时映射还需要进一步加强，对轴系试验台架整体的数字孪生体的应用还需要进一步的研究完善。