数字孪生在船舶轴系试验平台中的应用探讨

张晓阳，孙 锋，孙 玲

(1.海军驻246厂代表室，辽宁 大连 116000；2.中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

轴系试验平台是开展船舶轴系相关设备部件性能分析的重要手段之一，通过真实试验采集获得对部件性能的了解或者获得相关状态诊断的判据知识是台架的重要功能。但受限于试验场地、试验时间、试验设备、成本等客观条件的限制，当前利用轴系试验平台获取判据知识仍存在着很多的困难，如难以通过破坏性试验的方法获取轴系在不同故障状态的数据等。数字孪生的出现为解决上述问题提供了一种新的思路，数字孪生集成多物理、多尺度、多学科属性，具有虚实融合、实时交互连接、迭代优化以及全流程数据驱动等特点[1-3]，可以为相关的仿真应用提供分析、预测、决策等支撑作用，并将仿真结果反馈给物理对象，从而帮助物理对象进行优化和决策。这为实时、准确、动态处理轴系试验平台的各种信息提供了新的方法。在船舶行业，对于数字孪生的认知大部分还处于理论研究层面，行业内对于数字孪生组织管理方式也没有形成共识，这对数字孪生的应用发展极为不利，有必要开展相关的研究。

2003年Grieves教授提出了最早的数字孪生概念，当时被定义为三维模型，包括3个部分，分别是物理实体部分、虚拟部分以及两者之间的连接部分[4]。但受限于当时的技术发展，数字孪生并没有得到重视。到了2011年，在航天领域，美国NASA和美国空军研究实验室合作提出了面向飞行器的数字孪生体，给出了数字孪生的具体概念，即数字孪生是集成了多物理量、多尺度以及概率模型的系统，其通过机理模型、数据驱动模型、传感器的更新数据以及历史数据反映实体飞行器的状态[5]。此后的几年中，美国NASA又不断进行数字孪生的研究，数字孪生也开始被众多学者关注，不断在NASA提出的数字孪生相关概念和定义基础上进行修改和完善，并将数字孪生扩展到除了航空航天以外的其他行业和领域。

1 孪生体的构建与管理

1.1 构建原则

为了实现轴系试验平台数字孪生体在要素、行为和规则3个方面的目的，数字孪生体在构建过程中应当满足以下几个原则。

1) 强交互特性。轴系试验平台数字孪生体需要和用户进行直接交互作用，需要用户能够对数字孪生体进行相关操作，并且将反馈信息呈现给用户。用户能够非常直观地了解轴系试验平台相关运行状态信息，在用户使用过程中，对用户的操作及时给出提示，数字孪生体和用户之间应当具备较强的交互性能，提升用户的体验感。

2) 真实行为特征。数字孪生体在构建过程中，应实现对轴系试验平台物理实体的真实映射，尽可能模拟真实的情况，并且遵守物理实体的物理规则，真实的行为特征可以为用户带来更好的体验。

3) 实现虚实融合。数字孪生体重要特点之一是虚实融合，实现物理实体与虚拟模型融合是数字孪生体的内涵之一。

4) 合适的组织管理层次。数字孪生体包括物理实体、虚拟模型、系统服务和孪生数据等多种组成部分，每个组成部分都由各个子系统组成，因此数字孪生体必须有良好的组织管理特性，从而实现对数字孪生体的管理，并且在构建过程中方便对数字孪生体的搭建，在使用时方便用户使用数字孪生体的各个系统服务，在运行时方便对其进行维护和更新。同时数字孪生体也应该具有管理功能，对物理实体的全生命周期数据进行高效管理，发挥出数据的最大价值。

5) 效率和效果的平衡性。由于数字孪生体组成部分多，虚拟模型中需要对几何模型进行渲染，对材料进行处理，对仿真模型进行运算，对规则模型进行分析，同时数字孪生体是由数据驱动的，会产生大量的数据交互和数据计算分析，这就对数字孪生体运行载体提出了较高的要求。因此，无论是在数字孪生体构建过程中，还是在运行过程中，都应该在满足数字孪生体相关功能需求的前提下进行优化，降低数字孪生体的使用门槛，提高数字孪生体的使用范围。

1.2 对象选取原则

数字孪生体构建对象选取需要遵循以下原则。

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。构建数字孪生体的最终目的是实现对物理实体精确地操作，研究物理实体更深入的内在逻辑，通过合理正确的推理，使物理实体能达到最合适的状态。

2) 存在获取对象相关状态的手段。能够获取对象相关状态信息是构建数字孪生体的关键，如部署相应的传感器以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。

1.3 轴段数字孪生体的构建

图1为数字孪生体轴段虚拟模型构建示意图。根据选取的中间轴对象进行分析，创建仿真分析有限元模型，通过仿真软件提供的命令流导出功能，生成命令流模板文件，对模板文件进行分析，提取关键参数，根据不同的工况条件生成新的命令流文件，新命令流文件导入到仿真软件中进行仿真分析计算，得到在新的工况条件下的分析计算结果，对结果进行验证后进行保存。其关键步骤如下。

1) 开发模型参数输入界面。数字孪生体中虚拟模型是进行计算分析的关键，一般依托于数字计算仿真软件如ANSYS等进行，首先根据分析类型的不同，通过软件的界面操作建立有限元仿真分析模型，其次根据软件提供的命令流导出功能，生成此模型的命令流模板。再根据数字孪生体的需要从命令流中提取关键特征参数，利用程序语言开发平台开发参数输入界面。

2) 参数替换。根据开发的参数输入界面，可以实现模型的构建，根据此部分，数字孪生体在模拟轴系运转时，通过传感器获取轴系的运行情况，通过改变参数即可实现从轴段实体到数字空间的映射，并形成新的命令流文件。

3) 计算分析。将生成的命令流文件导入到数字计算软件中，不需要再进行额外的边界条件添加即可进行分析计算。

4) 计算结果提取。将计算分析得到的结果进行提取，包括应力分析数据、应力分布云图、振动分析数据、振动分布云图等。

5) 计算结果存储。将提取的结论数据和图片按照一定的管理方式进行保存，并能够在需要的时候方便快速的提取。

1.4 数字孪生体的管理

数字孪生体需要进行管理，合理有效的管理方法能够充分发挥数字孪生体特点，高效发挥作用，实现应有的功能。孪生体应该具有如下管理功能。

1) 孪生体对模型的管理功能。模型是孪生体的重要组成部分，强化对孪生体模型的管理可以更好地发挥孪生体作用。在物理实体对象中，模型的存在形式可以有多种方式，如实体模型、有限元分析模型等，孪生体需要对不同的模型进行管理。

2) 孪生体对真实试验台架的指导建议功能。孪生体能够指导试验台架进行开展相关试验的研究，如指导确定相关传感器的安装位置等。

3) 孪生体对计算结果分析方法管理功能。孪生体计算的结果有些并不能直接使用，需要经过分析处理后才能指导实际的轴系试验台架运行。真实试验台架在开展试验研究时，受限于客观条件的限制，只能布置有限个传感器获取轴系运行状态信息，而数字孪生体计算分析的结果是针对整个轴系的，因此要建立孪生体计算结果与轴系测点的对应关系，实现孪生体的虚实结合。

4) 孪生体对台架运行趋势预测的管理功能。在建立了孪生体与轴系试验台架测点位置的对应管理之后，就需要根据孪生体实现所需要的功能管理。孪生体最主要功能之一是可以实现对轴系试验台架的运行趋势预测，在还未进行试验研究之前，利用数字孪生体模拟试验台架的运行。但目前已有的技术手段较难实现实时仿真模拟运算，因此采用事先计算分析的方法，然后通过数据管理方法对数据进行分析，进而实现对台架运行状态的趋势预测，并在开展试验时根据试验结果对仿真模型进行修正，进而实现模型的迭代优化。

数据孪生体需要对物理实体的设计阶段、运行维护阶段的数据进行管理，包括物理实体采集获取的数据、模型的数据、计算的数据、不同工况条件下的运行状态数据等。图2为数字孪生体管理数据功能流程示意图。

图2 数字孪生体管理数据功能流程示意图

设计制造阶段数据管理：主要包括几何尺寸数据、材料属性数据、制造数据、安装过程的数据等。运行维护数据管理：包括对日常运行数据、数字孪生体计算分析数据以及经过数据挖掘分析获得的判据知识的管理。物理实体在日常运行时，会由于各种原因造成基本几何尺寸和边界条件发生变化，如由于轴系冷却水管路长期运行造成水垢堵塞现象会影响冷却水流速，中间轴承轴瓦由于磨损造成轴瓦厚度变薄，这都会对孪生体的计算分析结果造成影响，在使用孪生体时应充分考虑到这些因素对孪生体的影响，实现虚实结合。

2 孪生体的管理示例

以某进行轴系轴径优化的试验平台为例，其需要构建基于振动方法进行轴段状态判断的数字孪生体，轴段振动数字孪生体搭建的核心工作主要包括振动分析计算模型的创建、模型的组织管理和计算分析数据的组织管理。

在孪生体中，首先需要对相关的数据及计算结果进行合理的组织与管理，在轴系试验平台最危险截面和次危险截面均有裂纹时，不同深度的裂纹振幅变化对比示意图如图3所示。

图3 不同深度的裂纹振幅对比示意图

在孪生体数据知识管理基础上，在试验台架运行时，就可以根据孪生体中的知识结合实际传感器获取的数据分析，进行台架运作状态的评判，基于数字孪生体的状态辅助判断示意图如图4所示。

图4 基于数字孪生体的状态辅助判断示意图

孪生体的数据会处于动态的变化过程中，这种变化体现在2个方面。第一是数据自身的变化，如不同状态的数据趋势不同；第二是数据的来源会发生变化，如根据实际情况的分析，需要在对应的物理实体上增加或减少传感器的测点、增加或者减少传感器的类型等。可以看到，数字孪生体搭建完成后，并非一成不变，而是每个组成部分都有可能会发生动态的改变，并且这种变化是循环调整的，调整了一个方面，其余的也需要跟着发生变化，因此有合适的数字孪生体的管理手段和方案，才能简化数字孪生体的推演调整过程，让数字孪生体发挥更好的作用。

3 结束语

本文对数字孪生体技术的应用进行梳理，提炼总结出数字孪生体的构建原则和数字孪生体的对象选取原则，分析了轴段数字孪生体的构建具体过程。在此基础上，论述了数字孪生体管理的意义，并以轴系试验平台为例，论述了数字孪生体应具有的具体管理功能。最后针对具体的试验台架进行了孪生体的管理示例说明。现有研究主要集中于孪生体的功能实现，而很少关注到其管理需求和管理功能，为更好地发挥其作用、降低构建同类数字孪生体的难度，应充分关注数字孪生体的平台化构建与管理的方法。