一种复杂传动机构数字孪生技术应用设计方法

本发明涉及复杂机械结构产品数字化制造领域，具体涉及一种复杂传动机构数字孪生技术应用设计方法，适用于机械传动领域产品装配数字化智能技术升级。

背景技术：

1、机械传动系统作为高端装备不可或缺的组成部分，其制造技术仍需紧跟时代潮流，保持其先进性。近年来，随着先进制造技术的不断发展，智能制造水平的不断提高，机械传动领域的数字化智能技术升级也在不断探索中。但传动机械产品企业的技术创新能力较弱，其智能化水平较低，装配技术相对落后，缺乏有效的数字化技术支撑企业进行产业技术升级。

2、数字孪生作为智能制造技术中的一项关键技术，已经在国内外各行各业取得不同程度的应用，包括航空航天、石油天然气、健康医疗、城市管理等，并取得了良好的应用的效果。通过数字孪生技术的应用，可以解决产品设计研发、生产制造与使用过程所遇到的多种问题，包括仿真与映射、监控与操纵、诊断与分析、预测与优化等技术手段。

3、将数字孪生技术引入复杂传动机构装配过程中，形成一种适用于复杂传动机构装配的数字孪生系统解决其装配过程问题，提高复杂传动机构装配技术水平，改善其装配技术现状，促进复杂传动机构智能装配产业升级。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题为：针对复杂传动机构装配技术升级需求，从先进技术应用角度出发，引入数字孪生技术，形成一种适应于复杂传动机构装配过程的数字孪生技术应用方法，解决其数字化装配技术水平低导致的数据分散、错装漏装、可追溯差等问题。本发明建立的一种复杂传动机构数字孪生技术应用设计方法，将先进的数字化技术应用到复杂传动系统装配过程中，在虚拟空间中通过数据模拟复杂传动机构实际装配过程的行为、状态与活动，实现复杂传动机构装配过程的仿真、诊断、预测与优化，进而提升复杂传动机构数字化装配技术水平，有效提高复杂传动机构装配质量，促进机械产品智能装配产业升级。

2、本发明采用的技术方案是：数字孪生技术在复杂传动机构中应用设计思路包括5个方面：数字孪生模型构建、物理模型与数字模型对接、数据采集与实时更新、仿真与优化、虚拟装配与验证；数字孪生技术在复杂传动机构中应用设计内容包括7个方面：3d模型创建和管理、物理特性的数学建模、传感器数据集成、多物理场耦合仿真、用户界面和交互设计、实时性能监控和反馈、数据分析和决策支持。

3、所述的数字孪生模型构建是指使用cad软件或类似工具创建复杂传动机构的3d模型。将复杂传动机构的结构、零件、装配关系等信息转化为数字孪生模型。这需要考虑复杂传动机构的各种部件和其相互作用。

4、所述的物理模型与数字模型对接是指将实际物理世界中的复杂传动机构性能、传感器数据等信息捕捉下来，与数字模型对接，确保数字孪生模型的准确性和真实性。通过捕捉实际物理世界中的数据(如传感器数据、运行状态等)，这些数据被反馈到数字模型中，使得模型能够准确地反映复杂传动机构在实际运行中的表现和特性。

5、所述的数据采集与实时更新是指实时采集复杂传动机构运行时的数据，例如温度、振动、转速等。将这些数据反馈到数字孪生模型中，更新后的模型反映了复杂传动机构在不同工况下的状态和性能变化，为后续的仿真分析和优化提供了基础。

6、所述的仿真与优化是指使用更新后的数字孪生模型进行各种仿真，例如结构强度分析、运动学分析、疲劳寿命预测等。仿真结果为装配优化设计提供指导，包括结构改进、材料选择、性能提升等，以确保复杂传动机构在装配设计阶段就具备高效和可靠的特性。

7、所述的虚拟装配与验证是指在数字孪生环境中进行虚拟装配，验证各个零件的合适性、互操作性和装配过程中可能出现的问题。确保在实际制造和装配中可以避免因设计问题而导致的装配效率低下或装配质量问题，提高复杂传动机构产品的制造效率和装配精度。

8、所述的3d模型创建和管理：包括复杂传动机构的各个零件的建模和管理，确保数字孪生模型的完整性和准确性。

9、所述的物理特性的数学建模：将复杂传动机构的物理特性(如力学、热力学特性)进行数学建模，与数字孪生模型对接。

10、所述的传感器数据集成：设计用于采集复杂传动机构运行数据的传感器系统，并将数据集成到数字孪生模型中。

11、所述的多物理场耦合仿真：实现多物理场(如结构力学、热学、流体力学等)的耦合仿真，以全面评估复杂传动机构的性能。

12、所述的用户界面和交互设计：开发直观的用户界面，使工程师能够轻松访问和操作数字孪生模型，进行仿真、优化和装配验证。用户界面的设计直接影响到工程师使用体验的好坏，良好的设计能够提高工程师的工作效率和操作的准确性。

13、所述的实时性能监控和反馈：提供实时性能监控功能，监测复杂传动机构在实际运行中的状态，并提供即时反馈和警报。这种功能使得工程师能够随时了解产品的运行情况，及时采取必要的维护或调整措施，保证产品在使用过程中的可靠性和安全性。

14、所述的数据分析和决策支持：基于仿真和实时数据分析，为工程师提供决策支持，帮助优化产品设计和生产流程。数据分析结果直接影响到工程师在复杂机械传动结构产品设计、生产和维护中的决策，有效的决策支持能够提升产品的竞争力和市场表现。

15、本发明与现有技术相比的有益效果是：数字孪生技术在复杂机械传动机构装配过程中，能够提供更高的效率、更低的成本和更好的质量控制，相比传统的装配技术有显著的优势。数字孪生可以通过虚拟仿真模型预测装配过程中的问题和挑战，从而优化设计和工艺规程，减少装配过程中的试错和调整时间；可以实时监控实际装配过程中的数据，并与虚拟模型进行比对。这种实时反馈可以帮助操作人员及时调整策略，避免潜在的装配问题；新员工可以在虚拟环境中进行装配训练，降低实际操作中的失误率，缩短新员工的适应期；通过数字孪生技术优化装配过程，可以降低生产成本，提高装配效率，减少资源浪费和不必要的人力成本；数字孪生技术不仅可以用于装配阶段，还可以扩展到设备的维护和服务阶段，通过预测设备运行状况，提前进行维护，延长设备寿命和可靠性。

技术特征：

1.一种复杂传动机构数字孪生技术应用设计方法，其特征在于：数字孪生技术在复杂传动机构中应用设计思路包括5个方面：数字孪生模型构建、物理模型与数字模型对接、数据采集与实时更新、仿真与优化、虚拟装配与验证；数字孪生技术在复杂传动机构中应用设计内容包括7个方面：3d模型创建和管理、物理特性的数学建模、传感器数据集成、多物理场耦合仿真、用户界面和交互设计、实时性能监控和反馈、数据分析和决策支持。

2.根据权利要求1所述的3d模型创建和管理，其特征在于：包括复杂传动机构的各个零件的建模和管理，确保数字孪生模型的完整性和准确性。使用cad工具创建复杂传动机构的各个零部件和装配体，确保模型的完整性和准确性。

3.根据权利要求1所述的物理特性的数学建模，其特征在于：将复杂传动机构的物理特性(如力学、热力学特性等)进行数学建模，与数字孪生模型对接。

4.根据权利要求1所述的传感器数据集成，其特征在于：设计用于采集复杂传动机构运行数据的传感器系统，并将数据集成到数字孪生模型中。传感器技术(如力传感器、加速度计、温度传感器、转速传感器)用于实时数据采集。

5.根据权利要求1所述的多物理场耦合仿真，其特征在于：实现多物理场(如结构力学、热学、流体力学等)的耦合仿真，以全面评估复杂传动机构的性能。多物理场仿真软件(如ansys、comsol multiphysics)用于结构力学、热学、流体力学等耦合仿真。

6.根据权利要求1所述的用户界面和交互设计，其特征在于：开发直观的用户界面，使工程师能够轻松访问和操作数字孪生模型，进行仿真、优化和装配验证。用户界面的设计直接影响到工程师使用体验的好坏，良好的设计能够提高工程师的工作效率和操作的准确性。图形用户界面(gui)开发工具(如qt、electron)用于界面设计和用户交互。

7.根据权利要求1所述的实时性能监控和反馈，其特征在于：提供实时性能监控功能，监测复杂传动机构在实际运行中的状态，并提供即时反馈和警报。这种功能使得工程师能够随时了解产品的运行情况，及时采取必要的维护或调整措施，保证产品在使用过程中的可靠性和安全性。实时数据处理和监控系统(如数据库、实时数据处理软件)用于数据收集和分析。

8.根据权利要求1所述的数据分析和决策支持，其特征在于：基于仿真和实时数据分析，为工程师提供决策支持，帮助优化产品设计和生产流程。数据分析结果直接影响到工程师在复杂机械传动结构产品设计、生产和维护中的决策，有效的决策支持能够提升产品的竞争力和市场表现。数据分析工具和算法(如python、r语言、机器学习算法)用于数据处理和决策支持。

技术总结本发明涉及一种复杂传动机构数字孪生技术应用设计方法，旨在指导复杂传动机构智能装调技术升级。本发明针对复杂传动机构装配技术升级需求，引入数字孪生技术，建立一种适应于复杂传动机构装配过程的数字孪生技术应用方法，在虚拟空间中通过数据模拟复杂传动机构实际装配过程的行为、状态与活动，实现复杂传动机构装配过程的仿真、诊断、预测与优化，其设计思路包括数字孪生模型构建、物理模型与数字模型对接、数据采集与实时更新、仿真与优化、虚拟装配与验证；设计内容包括：3D模型创建和管理、物理特性的数学建模、传感器数据集成、多物理场耦合仿真、用户界面和交互设计、实时性能监控和反馈、数据分析和决策支持。技术研发人员：刘鹏,王延忠受保护的技术使用者：北京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10