CN109871651A - 一种fast主动反射面的数字双胞胎构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种FAST主动反射面的数字双胞胎构建方法，数字双胞胎技术是一种将设备的数字信息与该设备运行中实时获取的数据流相结合，通过仿真分析，进而获得实际设备真实运行状态的一种新兴技术。数字双胞胎技术可以使设备运营人员获取一些无法在设备运行时进行采集，或者采集的数据量不能满足故障诊断需求的数据。通过分析这些数据，就可以掌握设备的实际运行状态，对设备故障进行提前预测，进而实现对设备的视情维修(Condition Based Maintenance,CBM)。本方法利用FAST主动反射面上已布置的高精度传感器和测量设备，通过采用迭代算法，完成了FAST主动反射面数字双胞胎的构建，为进行FAST主动反射面的故障预测及健康管理研究打下了良好的基础。
Description
技术领域
本发明涉及数字双胞胎构建方法领域,尤其是涉及一种FAST主动反射面的数字双胞胎构建方法。
背景技术
500m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter aperture spherical radiotelescope,FAST)是世界上最大的单口径射电望远镜。该望远镜反射面采取主动变位的独特工作方式,可根据观测天体的角度，在500m口径反射面的不同区域，形成直径为300m的抛物面。该望远镜的工作频率在70MHz～3GHz之间。
为了实现反射面的主动变位特性，FAST采用柔性索网作为主要支承结构。索网结构共包括6670根主索和2225个主索节点，索网周边固定在圈梁上。FAST的圈梁为直径约500m的11m×5.5m环形桁架，重量约5350吨。圈梁支撑格构柱共50个，高度在6m-50m不等的格构柱上。索网的每个主索节点设置单根下拉索，通过促动器拖动下拉索来控制索网变位，从而在500m口径范围内的不同区域形成300m口径的抛物面。
FAST进入正式运行阶段后，其运行维护工作将成为运营工作的重中之重。作为FAST三大技术创新之一的主动反射面不但具有跨度大、精度高的特点，而且采用主动变位的独特工作模式。主动变位的反射面结构是FAST与传统结构的最大区别，这一开创性的设计方案在世界上也是独一无二的。
由于FAST主动反射面的独特性，完全采用传统的定期检修+事后维修的维护模式，不能满足其维护需求。FAST需要一种可以进行故障预测的先进的维护方法，来保障FAST的健康安全运行。
随着自动化技术和信息技术的快速发展,各种复杂的大型设备不断涌现，这些设备在带来工作效率提升的同时，也带来了维护困难的问题。传统的定期检修+事后维修的维护方式耗费巨大，且效率很低，已不能满足这类设备的运行维护需求，寻求一种既便捷可靠又经济高效的运行维护方式成为相关领域专家竞相研究的热点。基于状态的视情维修(Condition Based Maintenance,CBM)的故障预测和健康管理(Prognostics and HealthManagement,PHM)技术就是在这一背景下应运而生并不断发展壮大的。
对于PHM技术来说，如何进行故障预测是其最大的技术瓶颈。目前用于PHM的故障预测技术一般分为三类：基于可靠性理论的预测方法、基于数据驱动的预测方法和基于模型的预测方法。其中以基于模型的预测方法最为准确，而且该方法不像其他方法那样需要进行足够数量的机器学习或者有足够样本数的概率统计，才能保证预测结果的相对准确。但由于基于模型的预测方法的难度和成本很大，使其不能得到广泛应用。
幸运的是，数字双胞胎(Digital Twin,DT)技术的出现，使得本项目可以突破PHM技术的瓶颈，采用预测精度最高的基于模型的预测方法，构建适合FAST主动反射面运行维护的PHM系统。
数字双胞胎技术是一种将特定产品的数字信息与产品运行中实时获得的操作数据流相结合，以及将基于物理的理解与分析相结合，以获得深入的产品洞察力的一种新兴技术。仿真软件、硬件和处理速度的改善，以及物联网(LOT)的兴起，使该技术的应用成为可能。不同于传统的仿真技术和CAE技术，数字双胞胎是一个动态的、基于历史数据和当前数据不断发展的镜像，是现实世界中物理实体的数字映射。数字双胞胎技术可以使设备运营人员获取一些无法在设备运行时进行采集，或者采集的数据量不能满足故障诊断需求的数据。通过分析这些数据，就可以掌握设备的实际运行状态，对设备故障进行提前预测，进而实现对设备的视情维修。
要构建数字双胞胎，需要根据现场物理实体实际发生的变化，对数字双胞胎模型进行及时更新。得益于FAST建设者的前瞻性思维，FAST施工阶段就在主动反射面的关键部位提前设置了高精度的传感器和测量设备：比如，在150根边缘主索上设置了测量索力的磁通量传感器，其索力测量精度可以达到3％；在圈梁耳板销孔中心设置了测量标靶，可使用激光全站仪自动测量耳板销孔中心坐标(也就是圈梁与150根边缘主索的连接点坐标)，精度在2mm以内；在2225个促动器上安装了测量精度可达10μm的磁致伸缩传感器；索网及圈梁上布置的500余个光纤传感器可以获得精度达0.1°的温度数据(用于构建本项目的温度场模型)等。这些传感器和测量设备的设置使本项目可以以较小的成本，获得构建FAST主动反射面数字双胞胎所需要的高精度数据。
FAST促动器的最大运行速度仅为1.6mm/s，可以认为当望远镜进行换源、跟踪或扫描等观测任务时，索网变位工作是近似的准静态过程。另外，FAST主动反射面结构内构件的应力均在线弹性范围内。所以，FAST主动反射面数字双胞胎的构建，可以采用静态的线性分析方法进行。
FAST主动反射面是一个复杂的耦合结构，仅根据定时测量的相关数据修改几何模型，并不能保证修改后的模型仿真分析结果的准确性。因此，还需要根据一些实测数据和仿真结果的对比分析更新FAST主动反射面有限元模型中的相关参数，通过反复迭代，最终完成数字双胞胎模型的更新。
数字双胞胎的更新是构建数字双胞胎最复杂也是最重要的部分。幸运的是，FAST建设者对FAST主动反射面的加工和安装有着严格的精度要求和质量控制，例如，索网结构单根主索的长度制造误差≤±1mm，并有数据和照片记录。加工时和安装后的精确尺寸对数字双胞胎的更新是极为有利的。另外，圈梁以及索网结构中各构件的受力均在弹性范围内。因此，在同一工况下，只要数字双胞胎模型中主索节点坐标与现场实测坐标一致，那么计算获得的主索索力与现场实际索力也应该是一致的。考虑到FAST主动反射面所有的变位工况都是以基本球面为基准张拉出来的，本发明是在基本球面状态下进行数字双胞胎的更新。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种FAST主动反射面的数字双胞胎构建方法，以解决现有技术中存在的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种FAST主动反射面的数字双胞胎构建方法，所述方法包括如下步骤：
1)建立FAST主动反射面整体有限元模型，模型包括圈梁、圈梁支撑格构柱、面索以及下拉索；
2)定期将FAST主动反射面变位到基本球面状态，并测量/采集如下数据：促动器伸长量，故障促动器、构件温度、圈梁耳板销孔坐标、下拉索锚固点坐标以及主索节点坐标；
3)根据测量圈梁耳板销孔中心坐标、有过变化的下拉索锚固点坐标，修改FAST主动反射面整体有限元模型的几何模型；
4)对修改了几何模型的FAST主动反射面整体有限元模型进行有限元分析，并根据计算结果，将计算主索节点位置与实测主索节点位置的偏差分为径向偏差和切向偏差；
5)根据径向偏差计算下拉索弹性模量的修正量，并修正有限元模型中相应下拉索单元的弹性模量；
6)根据切向偏差计算主索初应变修正量，并修正有限元模型中相应主索的初应变；
7)对修正参数后的有限元模型再次进行有限元分析，仍根据计算结果，将计算主索节点位置与实测主索节点位置的偏差分为径向偏差和切向偏差；
8)重复步骤6)和步骤7)，直到主索节点计算位置与实测位置的径向误差≤1mm为止；
9)输出数字双胞胎，并定时重复步骤1)～步骤8)，根据最新的测量数据更新数字双胞胎模型，进而构建出可自动更新的、实时与现场结构保持一致的FAST主动反射面数字双胞胎。
作为一种进一步的技术方案，步骤1)中所述FAST主动反射面整体有限元模型采用ANSYS有限元软件建立，所述圈梁、圈梁支撑格构柱采用BEAM44单元模拟，所述面索及下拉索采用LINK10单元模拟。
作为一种进一步的技术方案，步骤2)中所述定期将FAST主动反射面变位到基本球面状态是指每3个月将反射面变位到基本球面，并测量/采集一次相关数据。
作为一种进一步的技术方案，步骤2)中所述促动器伸长量采用测量精度可达到10微米的磁致伸缩传感器采集；圈梁耳板销孔坐标、下拉索锚固点坐标以及主索节点坐标采用测量精度高达2mm的激光全站仪进行测量。
作为一种进一步的技术方案，步骤2)中所述构件温度采用主动反射面上500余个分布相对均匀的温度测量点的数据，线性插值获得。
作为一种进一步的技术方案，步骤5)中所述的下拉索弹性模量的修正量，采用公式(1)计算得到：
ΔEi＝(Fi×Li)÷(ΔLi×Ai) (1)
公式(1)中，ΔEi表示第i根下拉索弹性模量的修正量；Fi表示第i根下拉索的计算索力；Li表示第i根下拉索的长度；ΔLi表示第i根下拉索处，主索节点位置与实测主索节点位置的径向偏差；Ai表示第i根下拉索的截面积。
作为一种进一步的技术方案，步骤6)中所述的主索初应变修正量，采用公式(2)计算得到。
Δεi＝(Li1-Li2)÷Li2 (2)
公式(2)中，Δεi表示第i根主索初应变的修正量；Li1表示第i根主索按实测坐标获得的索长；Li2表示第i根主索按计算坐标获得的索长。
作为一种进一步的技术方案，步骤9)中所述的自动更新通过如下方式实现：采用FAST的自动标定系统，自动将基本球面标定到面型误差RMS≤2mm，并通过现场的反射面控制系统和反射面测量系统，自动获取此时2225个促动器的伸长量、故障促动器编号、温度测量数据、主索节点坐标以及圈梁耳板销孔中心坐标，同时测量150根边缘主索索力，并调取重新浇筑过的下拉索基础锚固点的坐标；然后，按照上述步骤，采用ANSYS软件的APDL语言编制有限元程序，多次迭代后，在基准态上将数字双胞胎模型修正到主索节点位置及边缘主索索力均满足精度要求，实现数字双胞胎的自动更新，完成数字双胞胎的构建。
作为一种进一步的技术方案，步骤9)中定时重复步骤1)～步骤8)是指每3个月重复步骤1)～步骤8)。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明利用FAST主动反射面已布置的测量设施、传感器测量/采集的高精度数据，采用ANSYS有限元软件构建了与现场实际结构基本保持一致的数字双胞胎。以FAST主动反射面的数字双胞胎为基础，可以方便地建立能视情维修的FAST主动反射面故障预测和健康管理系统，解决传统的定期检修+事后维修的维护方式不能胜任FAST主动反射面维修维护的问题，对FAST反射面的健康安全运行意义重大。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的FAST主动反射面的数字双胞胎构建方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
结合图1所示，本实施例提供一种FAST主动反射面的数字双胞胎构建方法，所述方法包括如下步骤：
1)建立FAST主动反射面整体有限元模型，模型包括圈梁、圈梁支撑格构柱、面索以及下拉索；
2)定期将FAST主动反射面变位到基本球面状态，并测量/采集如下数据：促动器伸长量，故障促动器、构件温度、圈梁耳板销孔坐标、下拉索锚固点坐标以及主索节点坐标；
3)根据测量圈梁耳板销孔中心坐标、有过变化的下拉索锚固点坐标，修改FAST主动反射面整体有限元模型的几何模型；
4)对修改了几何模型的FAST主动反射面整体有限元模型进行有限元分析，并根据计算结果，将计算主索节点位置与实测主索节点位置的偏差分为径向偏差和切向偏差；
5)根据径向偏差计算下拉索弹性模量的修正量，并修正有限元模型中相应下拉索单元的弹性模量；
6)根据切向偏差计算主索初应变修正量，并修正有限元模型中相应主索的初应变；
7)对修正参数后的有限元模型再次进行有限元分析，仍根据计算结果，将计算主索节点位置与实测主索节点位置的偏差分为径向偏差和切向偏差；
8)重复步骤6)和步骤7)，直到主索节点计算位置与实测位置的径向误差≤1mm为止；
9)输出数字双胞胎，并定时重复步骤1)～步骤8)，根据最新的测量数据更新数字双胞胎模型，进而构建出可自动更新的、实时与现场结构保持一致的FAST主动反射面数字双胞胎。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤1)中所述FAST主动反射面整体有限元模型采用ANSYS有限元软件建立，所述圈梁、圈梁支撑格构柱采用BEAM44单元模拟，所述面索及下拉索采用LINK10单元模拟。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤2)中所述定期将FAST主动反射面变位到基本球面状态是指每3个月将反射面变位到基本球面，并测量/采集一次相关数据。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤2)中所述促动器伸长量采用测量精度可达到10微米的磁致伸缩传感器采集；圈梁耳板销孔坐标、下拉索锚固点坐标以及主索节点坐标采用测量精度高达2mm的激光全站仪进行测量。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤2)中所述构件温度采用主动反射面上500余个分布相对均匀的温度测量点的数据，线性插值获得。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤5)中所述的下拉索弹性模量的修正量，采用公式(1)计算得到：
ΔEi＝(Fi×Li)÷(ΔLi×Ai) (1)
公式(1)中，ΔEi表示第i根下拉索弹性模量的修正量；Fi表示第i根下拉索的计算索力；Li表示第i根下拉索的长度；ΔLi表示第i根下拉索处，主索节点位置与实测主索节点位置的径向偏差；Ai表示第i根下拉索的截面积。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤6)中所述的主索初应变修正量，采用公式(2)计算得到。
Δεi＝(Li1-Li2)÷Li2 (2)
公式(2)中，Δεi表示第i根主索初应变的修正量；Li1表示第i根主索按实测坐标获得的索长；Li2表示第i根主索按计算坐标获得的索长。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤9)中所述的自动更新通过如下方式实现：采用FAST的自动标定系统，自动将基本球面标定到面型误差RMS≤2mm，并通过现场的反射面控制系统和反射面测量系统，自动获取此时2225个促动器的伸长量、故障促动器编号、温度测量数据、主索节点坐标以及圈梁耳板销孔中心坐标，同时测量150根边缘主索索力，并调取重新浇筑过的下拉索基础锚固点的坐标；然后，按照上述步骤，采用ANSYS软件的APDL语言编制有限元程序，多次迭代后，在基准态上将数字双胞胎模型修正到主索节点位置及边缘主索索力均满足精度要求，实现数字双胞胎的自动更新，完成数字双胞胎的构建。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤9)中定时重复步骤1)～步骤8)是指每3个月重复步骤1)～步骤8)。
综上，本发明利用FAST主动反射面已布置的测量设施、传感器测量/采集的高精度数据，采用ANSYS有限元软件构建了与现场实际结构基本保持一致的数字双胞胎。以FAST主动反射面的数字双胞胎为基础，可以方便地建立能视情维修的FAST主动反射面故障预测和健康管理系统，解决传统的定期检修+事后维修的维护方式不能胜任FAST主动反射面维修维护的问题，对FAST反射面的健康安全运行意义重大。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种FAST主动反射面的数字双胞胎构建方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)建立FAST主动反射面整体有限元模型，模型包括圈梁、圈梁支撑格构柱、面索以及下拉索；
2)定期将FAST主动反射面变位到基本球面状态，并测量/采集如下数据：促动器伸长量，故障促动器、构件温度、圈梁耳板销孔坐标、下拉索锚固点坐标以及主索节点坐标；
3)根据测量圈梁耳板销孔中心坐标、有过变化的下拉索锚固点坐标，修改FAST主动反射面整体有限元模型的几何模型；
4)对修改了几何模型的FAST主动反射面整体有限元模型进行有限元分析，并根据计算结果，将计算主索节点位置与实测主索节点位置的偏差分为径向偏差和切向偏差；
5)根据径向偏差计算下拉索弹性模量的修正量，并修正有限元模型中相应下拉索单元的弹性模量；
6)根据切向偏差计算主索初应变修正量，并修正有限元模型中相应主索的初应变；
7)对修正参数后的有限元模型再次进行有限元分析，仍根据计算结果，将计算主索节点位置与实测主索节点位置的偏差分为径向偏差和切向偏差；
8)重复步骤6)和步骤7)，直到主索节点计算位置与实测位置的径向误差≤1mm为止；
9)输出数字双胞胎，并定时重复步骤1)～步骤8)，根据最新的测量数据更新数字双胞胎模型，进而构建出可自动更新的、实时与现场结构保持一致的FAST主动反射面数字双胞胎。
2.根据权利要求1所述的FAST主动反射面的数字双胞胎构建方法，其特征在于，步骤1)中所述FAST主动反射面整体有限元模型采用ANSYS有限元软件建立，所述圈梁、圈梁支撑格构柱采用BEAM44单元模拟，所述面索及下拉索采用LINK10单元模拟。
3.根据权利要求1所述的FAST主动反射面的数字双胞胎构建方法，其特征在于，步骤2)中所述定期将FAST主动反射面变位到基本球面状态是指每3个月将反射面变位到基本球面，并测量/采集一次相关数据。
4.根据权利要求1所述的FAST主动反射面的数字双胞胎构建方法，其特征在于，步骤2)中所述促动器伸长量采用测量精度可达到10微米的磁致伸缩传感器采集；圈梁耳板销孔坐标、下拉索锚固点坐标以及主索节点坐标采用测量精度高达2mm的激光全站仪进行测量。
5.根据权利要求1所述的FAST主动反射面的数字双胞胎构建方法，其特征在于，步骤2)中所述构件温度采用主动反射面上500余个分布相对均匀的温度测量点的数据，线性插值获得。
6.根据权利要求1所述的FAST主动反射面的数字双胞胎构建方法，其特征在于，步骤5)中所述的下拉索弹性模量的修正量，采用公式(1)计算得到：
ΔEi＝(Fi×Li)÷(ΔLi×Ai) (1)
公式(1)中，ΔEi表示第i根下拉索弹性模量的修正量；Fi表示第i根下拉索的计算索力；Li表示第i根下拉索的长度；ΔLi表示第i根下拉索处，主索节点位置与实测主索节点位置的径向偏差；Ai表示第i根下拉索的截面积。
7.根据权利要求1所述的FAST主动反射面的数字双胞胎构建方法，其特征在于，步骤6)中所述的主索初应变修正量，采用公式(2)计算得到。
Δεi＝(Li1-Li2)÷Li2 (2)
公式(2)中，Δεi表示第i根主索初应变的修正量；Li1表示第i根主索按实测坐标获得的索长；Li2表示第i根主索按计算坐标获得的索长。
8.根据权利要求1所述的FAST主动反射面的数字双胞胎构建方法，其特征在于，步骤9)中所述的自动更新通过如下方式实现：采用FAST的自动标定系统，自动将基本球面标定到面型误差RMS≤2mm，并通过现场的反射面控制系统和反射面测量系统，自动获取此时2225个促动器的伸长量、故障促动器编号、温度测量数据、主索节点坐标以及圈梁耳板销孔中心坐标，同时测量150根边缘主索索力，并调取重新浇筑过的下拉索基础锚固点的坐标；然后，按照上述步骤，采用ANSYS软件的APDL语言编制有限元程序，多次迭代后，在基准态上将数字双胞胎模型修正到主索节点位置及边缘主索索力均满足精度要求，实现数字双胞胎的自动更新，完成数字双胞胎的构建。
9.根据权利要求1所述的FAST主动反射面的数字双胞胎构建方法，其特征在于，步骤9)中定时重复步骤1)～步骤8)是指每3个月重复步骤1)～步骤8)。
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