一种基于数字孪生的紧固连接系统装配质量评估方法与流程

本发明属于紧固件检测领域，尤其是涉及一种基于数字孪生的紧固连接系统装配质量评估方法。

背景技术：

1、现阶段，实际系统的设计和维护策略可以总结为“安全余量设计+周期性维护”，即根据过往经验设计系统型式，并使用较大的安全系数来包络不确定性，并采取周期性的维护方式。

2、然而，现代工程越来越复杂，具体表现为：1）系统组件越来越多，且组件与组件之间的交互会衍生出一些新的特质；2）动态特性强，系统状态随时间快速变化；3）不确定性大，系统材料、结构以及周围环境存在众多不确定因数。

3、使得复杂系统在高度不确定性环境下遭受意外损伤概率的增加，难以完全保证系统可靠性，缺乏对系统当前状态的准确预估，容易出现过于频繁的检测与维修，或未及时维护而引发系统提前失效的情况，近年来，虽然紧固件预紧力监测技术逐渐成熟，但只能监测个别螺栓点的轴向载荷，无法对连接结构状态进行评估。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种基于数字孪生的紧固连接系统装配质量评估方法，以期解决上述部分技术问题中的至少之一。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种基于数字孪生的紧固连接系统装配质量评估方法，包括：

4、根据紧固连接系统建立有限元仿真模型，模拟紧固件在不同载荷下的参数变化数据；

5、基于有限元仿真模型通过拉丁超立方采样法选取适量样本点构建降阶模型，并结合参数变化数据建立紧固件与装配关系间的代理模型；

6、采集紧固连接系统在真实试验中的物理数据，使用物理数据修正有限元仿真模型和代理模型；

7、建立与紧固连接系统相关联的可视化系统，实时监测并评估紧固连接系统的装配质量。

8、进一步的，根据紧固连接系统建立有限元仿真模型，模拟紧固件在不同载荷下的参数变化数据的过程包括：

9、通过有限元分析方法得到紧固连接系统的仿真模型，并根据仿真模型的计算转换，得到紧固连接系统的力平衡方程；

10、结合力平衡方程以及紧固件刚度模型，分析得到额外载荷矢量与紧固件位移向量之间的关系；其中，紧固件位移向量为简化紧固件连接关系后得到的质量块位移向量。

11、进一步的，结合力平衡方程以及紧固件刚度模型的过程中，将紧固件刚度模型转换为相应的紧固件刚度矩阵，并将矩阵代入力平衡方程中，得到额外载荷矢量与紧固件位移向量之间的关系。

12、进一步的，基于有限元仿真模型通过拉丁超立方采样法选取适量样本点构建降阶模型的过程包括：

13、使用丁超立方采样法在有限元仿真模型中，选取紧固连接系统装配质量评估所需的紧固件作为样本点，并根据样本点内传感器输出的数据构建降阶模型；

14、降阶模型根据输入的数据类型配置不同的神经网络模型，其中，输入的数据类型包括紧固件的非时序数据和时序数据。

15、进一步的，结合参数变化数据建立紧固件与装配关系间的代理模型的过程包括：

16、使用样本点在不同载荷下的参数变化数据对降阶模型进行训练，根据紧固连接系统中的参数变化数据，更新降阶模型获得相应的代理模型；

17、其中，代理模型为紧固件预紧力输入与紧固连接系统的装配质量输出之间的函数式映射关系模型。

18、进一步的，建立与紧固连接系统相关联的可视化系统的过程包括：

19、构造并绘制可视化系统的主界面，通过读取数据转换矩阵进行数据转换，将原始数据转换为可处理的格式；

20、建立串口通信对象并绑定与紧固件相对应的通信串口，当需要更新紧固件的参数数据时，开启通信串口循环等待读取串口数据；

21、读取快照数据初始化主界面内的3d图形及主界面窗口，通过mayavi库在主界面中绘制、显示3d图形并开启交互功能；

22、主界面显示并更新紧固连接系统中的紧固件在不同载荷下的参数变化数据。

23、进一步的，开启通信串口循环等待读取串口数据的过程包括：

24、判断是否终止当前的读取操作，若是则终止，若否则判断串口是否有数据；若是则逐字节遍历串口数据并寻找数据帧头，若否则判断是否终止当前的读取操作；

25、寻找到数据帧头后以高位在前低位在后的方式读取数据并存入目录列表中，并将目录列表传回父类更新数据。

26、进一步的，通过mayavi库在主界面执行相应的操作前读取并处理有限元仿真模型，初始化每个紧固件的文本标签，在mayavi库中初始化颜色映射管理器，设置模型的颜色表示。

27、进一步的，主界面显示并更新紧固件的相应数据时，界面等待交互指令，收到修改紧固件预紧力的指令后，接收目录列表并对主界面当前显示的内容进行刷新，并更新其中的预紧力数据；

28、使用模型进行负载计算后更新负载以及3d图形和文本，使用计算模块重新计算并更新图表。

29、相对于现有技术，本发明所述的一种基于数字孪生的紧固连接系统装配质量评估方法具有以下有益效果：

30、在保留关键信息和主要影响参数的同时可以大幅减少计算时间和存储需求，避免了直接求解分析结构的有限元模型，将其用于螺栓的载荷预测和装配质量评估，可以减少大量装配实验和纠错的成本，相比于传统的实验方法，该方法能够更加快速地评估设计的可行性和安全性，为工程师提供更多的设计参考和决策支持。

31、能够基于数据驱动的神经算法等，实现复杂环境下的螺栓连接结构的力学实时分析，指导螺栓安装工艺、拆卸过程、服役过程的故障预测和性能评估。

32、可以针对目前对螺栓连接结构力学性能缺乏有效评估和控制手段难题，面向紧固件产品在安装过程中的装配应力不均匀和温度变化造成的预紧力变化，导致螺栓疲劳、被夹紧件连接刚度不足以及螺栓连接预紧力松弛等故障和退化，实现考虑温度变化和安装工艺影响下的典型故障退化过程和关键系统连接状态模拟，减少装备周期性维修项，并保障螺栓连接结构刚度及型号可靠性。

33、方便工程技术人员掌握使用，方法科学，便于应用推广。

技术特征：

1.一种基于数字孪生的紧固连接系统装配质量评估方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的紧固连接系统装配质量评估方法，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生的紧固连接系统装配质量评估方法，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的紧固连接系统装配质量评估方法，其特征在于：

5.根据权利要求4所述的一种基于数字孪生的紧固连接系统装配质量评估方法，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的紧固连接系统装配质量评估方法，其特征在于：

7.根据权利要求6所述的一种基于数字孪生的紧固连接系统装配质量评估方法，其特征在于：

8.根据权利要求6所述的一种基于数字孪生的紧固连接系统装配质量评估方法，其特征在于：

9.根据权利要求7所述的一种基于数字孪生的紧固连接系统装配质量评估方法，其特征在于：

技术总结
本发明提供了一种基于数字孪生的紧固连接系统装配质量评估方法，包括：根据紧固连接系统建立有限元仿真模型，模拟紧固件在不同载荷下的参数变化数据；基于有限元仿真模型通过拉丁超立方采样法选取适量样本点构建降阶模型，并结合参数变化数据建立紧固件与装配关系间的代理模型；采集紧固连接系统在真实试验中的物理数据，使用物理数据修正有限元仿真模型和代理模型；建立与紧固连接系统相关联的可视化系统，实时监测并评估紧固连接系统的装配质量。本发明有益效果：可以减少大量装配实验和纠错的成本，相比于传统的实验方法，该方法能够更加快速地评估设计的可行性和安全性，为工程师提供更多的设计参考和决策支持。

技术研发人员：沈超,柳思成,程全士,李文生,许彦伟,卢浩,周泉知,李瑀衡,刘燕,樊金桃
受保护的技术使用者：航天精工股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10