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一、引言

數字孿生體是現有或將有的物理實體對象的數字模型，通過實測、仿真和數據分析來實時感知、診斷、預測物理實體對象的狀態，通過優化和指令來調控物理實體對象的行為，通過相關數字模型間的相互學習來進化自身，同時改進利益相關方在物理實體對象生命周期內的決策。

通過數字孿生體模型，可以實現全面監控系統的關鍵參數，分析系統在非常規條件下的各種性能，如惡劣工作環境、存在加工誤差、沖擊載荷工況等。利用數字孿生體模型進行虛擬化測試，縮短了測試和分析的時間，降低了測試與分析的成本，并可以根據虛擬化測試結果優化試驗參數。因此建立機械產品關鍵零部件（如連桿）的數字孿生體模型，就具有十分重要的意義。

圖1為實現連桿數字孿生體模型的技術路線，主要分為載荷識別、模型降階和數字孿生體模型建立和部署四部分。

圖1 連桿數字孿生體模型技術路線圖 

 

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二、連桿載荷識別

1、載荷識別原理 

在結構線性響應情況下，載荷與變形、變形與應變均是線性關系，故可得載荷與應變是線性關系，如圖2所示。True-Load軟件基于該性質對線性響應的結構進行載荷識別，如果整體結構中存在局部非線性行為，如螺栓連接和焊縫區域局部塑形變形、結構中存在橡膠件等，該載荷識別方法仍然適用。

圖2 True-Load載荷識別原理

2、載荷識別流程 

采用True-Load軟件實現工程機械中連桿載荷識別的過程，如圖3所示。首先對連桿模型施加單位載荷并求解其應變響應；接著True-Load軟件根據單位載荷應變計算結果確認連桿結構上最佳應變片貼片的位置和方向，據此對連桿結構進行應變片貼片；然后進行現場試驗并采集應變片的測試結果；最后將試驗測得的應變數據讀入True-Load軟件，通過計算得到連桿在試驗過程中相應的動態載荷歷程。

圖3 連桿載荷識別流程圖 

（1） 連桿單位載荷工況應變結果求解 

在利用Ansys Mechanical獲得連桿單位載荷加載的*.rst結果文件過程中，需要注意兩點：其一是連桿限元模型中要在計劃貼片區域設置殼單元；其二是該連桿繞Z軸轉動，故模型在XY平面內施加單位載荷。模型底端銷孔位置施加fixed約束，其余兩個銷孔，沿著坐標軸X和Y分別施加單位載荷，基本流程如圖4所示。

圖4 Ansys Mechanical單位載荷分析過程

（2）連桿測試預分析 

將包含連桿單位載荷計算的結果文件導入True-Load/Pre-Test中，進行應變片貼片位置預分析，如圖5所示。規劃出6個應變片最佳位置，用于識別連桿真實載荷。載荷識別過程中，載荷識別條件數C(Condition Number)極為重要，需要保證載荷識別條件數C的數值小于100。

最終確認應變片貼片位置后，把應變片在連桿上的位置坐標導出，并保存在*.csv文件中。實際現場試驗中要嚴格按照csv文件中保存的坐標信息進行應變片貼片。

圖5應變片測試預分析 

（3）連桿載荷識別 

現場試驗做完后，保存應變測試結果。把包含連桿應變片位置信息的*.tld文件，及應變實際測試數據，導入True-Load/Post-Test中，進行載荷識別。生成HTML分析報告，包括圖6所示四個載荷步結果，圖7所示載荷識別誤差（均方根差），圖8所示實測應變與識別載荷加載到連桿上的應變之間的誤差等內容。同時程序會自動生成*.tfu文件，然后導出包含真實載荷結果的*.csv文件。

圖6連桿載荷識別

 圖7 真實應變與仿真應變的相關度

圖8 真實應變與仿真應變的誤差表

 

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三、連桿模型降階 

1、連桿載荷識別ROM生成 

將連桿實測試驗中獲得的應變測試數據和利用True-Load識別出的真實載荷歷程，導入Ansys Twin Builder 的 Response Surface ROM模塊中，基于Response Surface Method(RSM)理論，生成載荷識別ROM，如圖9所示。

Response Surface Method即響應面設計，其基本思想為選定多項式函數作為實際響應函數的近似形式，然后再通過一系列實驗樣本點來確定近似函數中的多項式系數。通過合理地選取實驗樣本點和迭代策略，來保證近似響應函數能夠收斂于真實的響應函數。

圖9 連桿載荷識別ROM 

2、連桿應力/變形場Static ROM生成 

在Ansys Mechanical的 Static Structural模塊中，首先設置ACT插件StaticROM Pre，利用DOE試驗建立多組試驗載荷數據作為訓練樣本，求解并存儲載荷數據、應力和變形結果、節點坐標等信息，如圖10和圖11所示。將上述數據導入Ansys Twin Builder中的Static ROM Builder模塊，依據奇異值分解Singular Value Decomposition(SVD)方法壓縮連桿3D模型訓練數據，針對選定的訓練數據，程序會自動給出滿足精度的矩陣壓縮階數，并結合Response Surface Method (RSM)方法生成連桿應力/變形場Static ROM，如圖12所示。

其中DOE試驗樣本的生成采用拉丁超立方抽樣方法(Lath Hypercube Sampling Design)，該方法是一種從多元參數分布中近似隨機抽樣的方法，屬于分層抽樣技術。

圖10多組連桿應力/變形訓練數據生成1

圖11 多組連桿應力/變形訓練數據生成2

圖12 建立連桿Static ROM 

 

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四、連桿數字孿生體模型建立 

在Ansys Twin Builder中，將載荷識別ROM輸出端和應力/變形場Static ROM輸入端進行連接，并設置載荷識別ROM輸入端接口和應力/變形場Static ROM輸出端接口。輸入連桿應變片的測試應變數據后，通過該模型計算，可快速得到連桿整個模型的應力/變形結果。

然后在Ansys Twin Builder環境中，對該模型進行編譯生成twin模型，并輸出twin模型文件，以上過程如圖13所示。

圖13連桿數字孿生體模型搭建及封裝

 

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五、連桿數字孿生體模型部署 

將輸出的連桿twin模型文件和應變數據csv文件導入Ansys Deployer中，包含實際采集測試應變的csv文件的輸出端與twin文件模型輸入端對應連接，建立連桿數字孿生體模型，如下圖14所示。經調試求解成功后，利用其Export Python App生成可執行程序SDK文件夾，文件夾中包含的主要內容，如下圖15所示。該文件夾通過命令行執行，可完全脫離有限元仿真環境，并獲得連桿現實場景中應力和變形結果的實時響應，如圖16和圖17所示。其中圖17為連桿載荷歷程對應的最小、最大和平均應力的不同結果曲線。

圖14 建立連桿數字孿生體模型

圖15 可執行SDK文件夾生成

圖16 運行中的可執行程序SDK文件夾

圖17 SDK文件夾運行輸出的連桿應力結果 

 

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六、總結 

本文介紹了聯合利用Ansys Mechanical、True-Load、Ansys Twin Builder和Ansys Deployer軟件進行連桿數字孿生體模型建立的操作過程及注意事項。

1）載荷識別的操作過程中，包括單位載荷的結果文件計算、應變片的預分析、載荷識別及結果導出等，實現了由實測應變數據識別出連桿的真實載荷歷程，為實現連桿數字孿生體模型的建立提供了載荷輸入；

2）連桿降階模型的生成過程中，包括利用響應面法(RSM)生成載荷識別ROM，利用DOE試驗生成多組連桿訓練數據，利用奇異值分解法(SVD)和響應面法(RSM)生成連桿應力/變形Static ROM等；

3）在連桿數字孿生體模型搭建及部署過程中，集成了連桿響應面ROM和Static ROM，并封裝、編譯生成twin文件模型，最后生成可執行程序SDK文件夾，即連桿數字孿生體模型的最終形式。該可執行程序能夠完全脫離有限元仿真環境，在不同操作系統平臺上進行部署后，就可以根據連桿的實測應變，進行應力與變形結果的快速計算，從而實現了連桿結構數字孿生體的建立和應用。