基于ANSYS Twin Builder连杆结构数字孪生体建模关键技术及应用

作者 | 王永威 黄志新 

一、引言

数字孪生体是现有或将有的物理实体对象的数字模型，通过实测、仿真和数据分析来实时感知、诊断、预测物理实体对象的状态，通过优化和指令来调控物理实体对象的行为，通过相关数字模型间的相互学习来进化自身，同时改进利益相关方在物理实体对象生命周期内的决策。

通过数字孪生体模型，可以实现全面监控系统的关键参数，分析系统在非常规条件下的各种性能，如恶劣工作环境、存在加工误差、冲击载荷工况等。利用数字孪生体模型进行虚拟化测试，缩短了测试和分析的时间，降低了测试与分析的成本，并可以根据虚拟化测试结果优化试验参数。因此建立机械产品关键零部件（如连杆）的数字孪生体模型，就具有十分重要的意义。

图1为实现连杆数字孪生体模型的技术路线，主要分为载荷识别、模型降阶和数字孪生体模型建立和部署四部分。

二、连杆载荷识别

1、载荷识别原理 

在结构线性响应情况下，载荷与变形、变形与应变均是线性关系，故可得载荷与应变是线性关系，如图2所示。True-Load软件基于该性质对线性响应的结构进行载荷识别，如果整体结构中存在局部非线性行为，如螺栓连接和焊缝区域局部塑形变形、结构中存在橡胶件等，该载荷识别方法仍然适用。

2、载荷识别流程 

采用True-Load软件实现工程机械中连杆载荷识别的过程，如图3所示。首先对连杆模型施加单位载荷并求解其应变响应；接着True-Load软件根据单位载荷应变计算结果确认连杆结构上最佳应变片贴片的位置和方向，据此对连杆结构进行应变片贴片；然后进行现场试验并采集应变片的测试结果；最后将试验测得的应变数据读入True-Load软件，通过计算得到连杆在试验过程中相应的动态载荷历程。

（1） 连杆单位载荷工况应变结果求解 

在利用ANSYS Mechanical获得连杆单位载荷加载的*.rst结果文件过程中，需要注意两点：其一是连杆限元模型中要在计划贴片区域设置壳单元；其二是该连杆绕Z轴转动，故模型在XY平面内施加单位载荷。模型底端销孔位置施加fixed约束，其余两个销孔，沿着坐标轴X和Y分别施加单位载荷，基本流程如图4所示。

（2）连杆测试预分析 

将包含连杆单位载荷计算的结果文件导入True-Load/Pre-Test中，进行应变片贴片位置预分析，如图5所示。规划出6个应变片最佳位置，用于识别连杆真实载荷。载荷识别过程中，载荷识别条件数C(Condition Number)极为重要，需要保证载荷识别条件数C的数值小于100。

最终确认应变片贴片位置后，把应变片在连杆上的位置坐标导出，并保存在*.csv文件中。实际现场试验中要严格按照csv文件中保存的坐标信息进行应变片贴片。

（3）连杆载荷识别 

现场试验做完后，保存应变测试结果。把包含连杆应变片位置信息的*.tld文件，及应变实际测试数据，导入True-Load/Post-Test中，进行载荷识别。生成HTML分析报告，包括图6所示四个载荷步结果，图7所示载荷识别误差（均方根差），图8所示实测应变与识别载荷加载到连杆上的应变之间的误差等内容。同时程序会自动生成*.tfu文件，然后导出包含真实载荷结果的*.csv文件。

三、连杆模型降阶 

1、连杆载荷识别ROM生成 

将连杆实测试验中获得的应变测试数据和利用True-Load识别出的真实载荷历程，导入ANSYS Twin Builder 的 Response Surface ROM模块中，基于Response Surface Method(RSM)理论，生成载荷识别ROM，如图9所示。

Response Surface Method即响应面设计，其基本思想为选定多项式函数作为实际响应函数的近似形式，然后再通过一系列实验样本点来确定近似函数中的多项式系数。通过合理地选取实验样本点和迭代策略，来保证近似响应函数能够收敛于真实的响应函数。

2、连杆应力/变形场Static ROM生成 ​​​​​​​

点击完整阅读全文

基于ANSYS Twin Builder连杆结构数字孪生体建模关键技术及应用

相关阅读推荐：

玩转数字孪生

连杆结构数字孪生体实现之数字孪生体模型部署