CN112417742A - 一种基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估方法，通过构建齿轮箱中每一个齿轮对的传动模型，获取每一个齿轮随时间变化的平动轨迹和转动轨迹；将测量得到的齿轮箱的运动幅值和相位对传动模型中的每一个齿轮对的弹性系数进行校正，得到每一个齿轮对修正后的传动模型；将获取的齿轮箱的当前输入端转速和输出端负载输入修正后的传动模型，并结合有限元仿真分析，得到第一次检测周期内每一个齿轮轴上每一个位置的应力随时间变化的规律；根据疲劳分析公式得到每一个齿轮轴上每一个位置的剩余折损次数，得到每一次检测之后每一个齿轮轴上每一个位置所剩余寿命的百分比。本发明基于计算机辅助技术能够对齿轮箱的剩余寿命进行动态评估。

Description

一种基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估方法及系统

技术领域

本发明涉及计算机辅助优化技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估方法及系统。

背景技术

预测与健康管理(Prognostics and health management, PHM)已在航空航天、民用飞机、核反应堆、汽车多领域统被实践证明是一个可行的路径，通过对长寿命高可靠性部件进行系统失效提前预警，便于对系统进行视情维护。设备的性能退化过程是依赖于设备的运行状态的，例如设备在不同状态下的运行时间以及运行状态的切换次数都会给设备的退化轨迹带来很大影响。并且由于设备运行任务和运行时间的随机性，设备在各个运行状态下的逗留时间也是随机的。此外，即使设备一直处于某一运行状态，该设备的性能退化也是具有一定的随机性的。现存的大多数研究不同工作环境下设备剩余寿命预测的方法都是基于蒙特卡洛仿真或者数值计算的方法，这类方法往往计算量巨大，实时性不高。

各类旋转设备是系统装置正常运转的基础和载体，大多数的事故起因源于设备关键部位的失效。一旦设备发生故障，生产装置的正常运行将无法得到保障，由此可见，对设备进行寿命分析、实时掌握设备可靠性状况具有十分重要的意义。与设备相关的寿命数据和维修数据是设备工程师掌握装置安全状况、合理规划检维修计划的重要组成部分。设备制造商给出的可靠性参数又过于乐观，导致可靠性评估偏差过大，国外商用数据库存在使用环境和维护条件与工厂生产实际不匹配的问题，随着高新技术的不断革新，现代设备的高度集成化、智能化及问题分析处理能力的高效化日益增强，与之相对的即是设备的故障诊断、维修和可靠度越来越受到人们的关注。

齿轮箱是现代工业设备传动链中的关键部件，在机械设备运行时受到各种各样的载荷，这些载荷使齿轮箱体容易受到疲劳损伤而失效。齿轮箱一旦发生故障，将会对整个机械设备的可靠运行造成最直接的影响，往会给人们带来灾难性的后果，因此对结构进行疲劳分析具有重要意义。据统计，机械设备或者结构的破坏有50％一90％与疲劳有关。随着可靠性水平的不断提高，寿命评估面临着一个长寿命高可靠试样的评估问题。现有技术中通过采集设备运行状态的监测数据为基础进行故障预测，故障数据的采集复杂并且难度大，故障数据一旦失效后将导致方案的失效，其方法模型适用性差；设备寿命预测的数据算法通常以人工经验为主，其算法具有较大的随机性并且对输入的数据要求比较高，其算法复杂，运算速度慢。如果按照传统的寿命试验技术进行评估，则往往难于在可行的时间内完成。从试验的经济性和试验周期的可行性考虑，我们无法直接从设备的原始振动去研究它的疲劳寿命。因此，需要利用仿真的手段获取疲劳破坏的实验数据。

随着计算机技术和数值计算方法的发展，CAE(Computer Aided Engineering，计算机辅助工程)技术在高速列车产品的开发过程中发挥着越来越重要的作用。借助CAE强大的仿真功能，我们可以在产品设计初期，建立合理的有限元模型，然后对它进行一系列的仿真分析，找出设计中的缺陷和不足之处，加以改进或者优化，这样就可以大大缩短产品开发周期，节省大量的成本。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估方法及系统，基于计算机辅助技术，通过构建齿轮箱传动模型和有限元仿真分析，能够对齿轮箱的剩余寿命进行动态评估。

为实现上述目的，本发明提供一种基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估方法，所述方法包括：

S1、基于齿轮箱中的每一个齿轮的齿数以及每一个齿轮对的弹性系数和间隙，并设定所述齿轮箱的边界条件，构建所述每一个齿轮对的传动模型，获取每一个齿轮随时间变化的平动轨迹和转动轨迹，所述边界条件包括齿轮箱的输入端转速和输出端负载；

S2、将测量得到的所述齿轮箱的运动幅值和相位分别与所述平动轨迹和转动轨迹的幅值和相位进行比较，基于所述比较结果，对所述传动模型中的每一个齿轮对的弹性系数进行校正，并根据所述每一个齿轮对校正后的弹性系数，得到所述每一个齿轮对修正后的传动模型；

S3、将获取的所述齿轮箱的当前输入端转速和输出端负载输入所述每一个齿轮对修正后的传动模型，并结合有限元仿真分析，以当前时间点作为第一次检测时间点，得到第一次检测周期内每一个齿轮轴上每一个位置的应力随时间变化的规律；

S4、根据疲劳分析公式以及所述每一个齿轮轴上每一个位置的应力随时间变化的规律，得到所述每一个齿轮轴上每一个位置的剩余折损次数，并得到所述第一次检测之后所述每一个齿轮轴上每一个位置所剩余寿命的百分比；

S5、重复执行步骤S3~S4，得到每一次检测之后所述每一个齿轮轴上每一个位置所剩余寿命的百分比。

优选的，所述步骤S1还包括：

根据所述齿轮箱中每一个齿轮的几何形状和材质，构建所述齿轮箱的三维结构模型，并以所述三维结构模型构建所述每一个齿轮对的传动模型；

根据所述几何形状和材质，获取所述每一个齿轮的质量和转动惯量。

优选的，所述步骤S1还包括：

设置所述齿轮箱中的每一个齿轮轴编号i，所述齿轮箱的每一个齿轮编号为j，设置j=1为第一个齿轮，并作为所述齿轮箱的输入端，若j=2i，则该齿轮为从动轮；若j=2i+1，则该齿轮为驱动轮；

根据所述齿轮箱的输入端转速，计算第一个齿轮转动角度在转轴方向上的分量，并作为所述第一个齿轮转动方程的边界条件；

将所述齿轮箱的输出端负载作为最后一个齿轮的转动方程的边界条件。

优选的，所述步骤S1还包括：

设置齿轮之间的初始弹性系数，以及齿轮之间弹性引起的转动角度变化修正值，计算得到齿轮间弹性引起的转动力矩；

设置齿轮之间的间隙，以及齿轮之间间隙引起的转动角度变化的修正值，计算齿轮之间间隙引起的转动力矩；

由所述齿轮间弹性引起的转动力矩和齿轮之间间隙引起的转动力矩构成所述齿轮所受外力引起的力矩。

优选的，所述步骤S1还包括：

根据所述每一个齿轮的半径以及该齿轮所受外力引起的力矩，计算得到该齿轮所受的外力；

根据所述每一个齿轮的质量以及该齿轮在自身坐标系下所受的惯性力，以及该齿轮所受的外力，根据齿轮平动方程计算得到该齿轮质心在自身坐标系下的位移。

优选的，所述步骤S1还包括：

根据所述齿轮之间弹性引起的转动角度变化修正值，以及齿轮之间间隙引起的转动角度变化的修正值，根据齿轮对之间的齿轮传动方程，计算得到每一个齿轮的转动角度在其自身转轴方向上的分量随时间变化的关系；

根据所述每一个齿轮的转动惯量，以及该齿轮在自身坐标系下所受的惯性力引起的力矩以及所受外力引起的力矩，根据齿轮转动方程计算得到该齿轮的转动角度。

优选的，所述步骤S3包括：

以当前时间点作为第一次检测时间点，将获取的所述齿轮箱的当前输入端转速和输出端负载输入所述每一个齿轮对修正后的传动模型，得到每一个齿轮在第一次检测周期内的随时间变化的平动轨迹和转动轨迹；

将所述第一次检测周期内的平动轨迹和转动轨迹以刚性连接的方式输入到有限元仿真软件，得到第一次检测周期内每一个齿轮轴上每一个位置的应力随时间变化的规律。

优选的，所述步骤S4包括：

根据疲劳分析公式以及所述每一个齿轮轴上每一个位置的应力随时间变化的规律，获取每一个位置在所述检测周期内的最大应力和最小应力，计算得到每一个位置的剩余折损次数，并计算得到每一个位置的剩余寿命为剩余折损次数与检测周期的乘积。

优选的，所述齿轮轴上每一个位置的剩余寿命百分比的递推公式为：

；

其中，N为检测次数，L_N为第N次检测后该位置的剩余折损次数，R_N为该位置的剩余寿命百分比。

为实现上述目的，本发明提供一种基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估系统，所述系统包括：

传动模型构建模块，用于基于齿轮箱中的每一个齿轮的齿数以及每一个齿轮对的弹性系数和间隙，并设定所述齿轮箱的边界条件，构建所述每一个齿轮对的传动模型，获取每一个齿轮随时间变化的平动轨迹和转动轨迹，所述边界条件包括齿轮箱的输入端转速和输出端负载；

校正模块，用于将测量得到的所述齿轮箱的运动幅值和相位分别与所述平动轨迹和转动轨迹的幅值和相位进行比较，基于所述比较结果，对所述传动模型中的每一个齿轮对的弹性系数进行校正，并根据所述每一个齿轮对校正后的弹性系数，得到所述每一个齿轮对修正后的传动模型；

有限元仿真模块，用于将获取的所述齿轮箱的当前输入端转速和输出端负载输入所述每一个齿轮对修正后的传动模型，并结合有限元仿真分析，以当前时间点作为第一次检测时间点，得到第一次检测周期内每一个齿轮轴上每一个位置的应力随时间变化的规律；

剩余寿命百分比计算模块，用于根据疲劳分析公式以及所述每一个齿轮轴上每一个位置的应力随时间变化的规律，得到所述每一个齿轮轴上每一个位置的剩余折损次数，并得到所述第一次检测之后所述每一个齿轮轴上每一个位置所剩余寿命的百分比，重复执行，得到每一次检测之后所述每一个齿轮轴上每一个位置所剩余寿命的百分比。

与现有技术相比，本发明提供的一种基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估方法及系统，所带来的有益效果为：本发明基于计算机辅助技术，通过构建齿轮箱传动模型和有限元仿真分析，根据齿轮箱真实的工作状态历程，对设备的健康状况和剩余使用寿命进行完整、实时的评估，能够对齿轮箱的寿命进行动态评估，根据齿轮箱的运行状态实时动态算出齿轮箱的剩余寿命，所得到的齿轮箱健康状况考虑到设备从开始运行时刻开始的全部影响，从而对齿轮箱的寿命进行全面和合理的评估，更加具有参考意义和实用价值；不需要基于历史故障数据的统计分析，避免了因为数据不足而导致算法失效的问题，也避免了因为数据没有代表性而导致的预测偏差；不依赖于齿轮箱的长期历史运行数据，其应用范围更广；将有限元分析的部分简化为只需要分析圆柱形的齿轮轴部分，仅对齿轮轴部分进行有限元分析，极大的提升了计算机辅助优化设计的效率，使得对齿轮轴健康状况的实时评估成为可能，使得对齿轮箱的实时分析成为可能；可以获取随着齿轮箱运行状态不断变化更新，齿轮箱所剩余的寿命百分比，并作为齿轮箱健康管理的依据；能够分析齿轮箱的各个齿轮轴中每一个位置的健康状况，而不是笼统的分析整个齿轮轴的健康状况，对齿轮轴的健康状况进行细化分析提供了依据。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估方法的流程示意图。

图2是根据本发明的一具体实施例的各个齿轮传动过程中产生的振动幅度和相位偏差示意图。

图3是根据本发明的一具体实施例的有限元仿真分析的齿轮箱模型示意图。

图4是根据本发明的一具体实施例的有限元仿真分析的简化后的齿轮箱模型示意图。

图5是根据本发明的一实施例的基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估系统的系统示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

如图1所示的本发明的一个实施例，本发明提供一种基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估方法，所述方法包括：

S1、基于齿轮箱中的每一个齿轮的齿数以及每一个齿轮对的弹性系数和间隙，并设定所述齿轮箱的边界条件，构建所述每一个齿轮对的传动模型，获取每一个齿轮随时间变化的平动轨迹和转动轨迹，所述边界条件包括齿轮箱的输入端转速和输出端负载；

S2、将测量得到的所述齿轮箱的运动幅值和相位分别与所述平动轨迹和转动轨迹的幅值和相位进行比较，基于所述比较结果，对所述传动模型中的每一个齿轮对的弹性系数进行校正，并根据所述每一个齿轮对校正后的弹性系数，得到所述每一个齿轮对修正后的传动模型；

S3、将获取的所述齿轮箱的当前输入端转速和输出端负载输入所述每一个齿轮对修正后的传动模型，并结合有限元仿真分析，以当前时间点作为第一次检测时间点，得到第一次检测周期内每一个齿轮轴上每一个位置的应力随时间变化的规律；

S4、根据疲劳分析公式以及所述每一个齿轮轴上每一个位置的应力随时间变化的规律，得到所述每一个齿轮轴上每一个位置的剩余折损次数，并得到所述第一次检测之后所述每一个齿轮轴上每一个位置所剩余寿命的百分比；

S5、重复执行步骤S3~S4，得到每一次检测之后所述每一个齿轮轴上每一个位置所剩余寿命的百分比。

根据发明的一具体实施例，所述步骤S1还包括：根据所述齿轮箱中每一个齿轮的几何形状和材质，构建所述齿轮箱的三维结构模型，并以所述三维结构模型构建所述每一个齿轮对的传动模型；根据所述几何形状和材质，获取所述每一个齿轮的质量和转动惯量。本发明中的齿轮传动均为两个齿轮成对进行传动，不包含两个以上的齿轮传动情况。

基于齿轮箱中的每一个齿轮的齿数以及每一个齿轮对的弹性系数和间隙，并设定所述齿轮箱的边界条件，构建所述每一个齿轮对的传动模型，获取每一个齿轮随时间变化的平动轨迹和转动轨迹，所述边界条件包括齿轮箱的输入端转速和输出端负载。具体地，设置所述齿轮箱中的每一个齿轮轴编号i，所述齿轮箱的每一个齿轮编号为j，设置j=1为第一个齿轮，并作为所述齿轮箱的输入端；若j=2i，则该齿轮为从动轮；若j=2i+1，则该齿轮为驱动轮。根据所述齿轮箱的输入端转速，计算第一个齿轮转动角度在转轴方向上的分量，并作为所述第一个齿轮转动方程的边界条件。所述边界条件用公式（1）表示：

(1) ；

其中，φ₁为第一个齿轮转动角度，θ₁为φ₁在转轴方向上的分量。

将所述齿轮箱的输出端负载M_end作为最后一个齿轮的转动方程的边界条件M_ext,jmax，即为：

（2）；

齿轮与齿轮之间相接触造成齿轮之间具有弹性，该弹性构成齿轮所受外力的一部分。设置齿轮之间的初始弹性系数k_g，因齿轮之间的弹性导致齿轮之间转动角度变化，设置齿轮之间转动角度变化修正值θ_el,g，计算得到由齿轮间弹性引起的转动力矩M_el,g，所述转动力矩M_el,g通过公式(3)计算得到：

(3)；

其中，k_g为齿轮间的弹性系数，θ_el,g为由齿轮之间弹性引起的转动角度变化的修正值，r_pn为从动轮半径，e_pa为齿轮之间的接触线方向，e_pn为从动轮转轴方向；

设置齿轮之间间隙b_l,g，以及齿轮之间间隙引起的转动角度变化的修正值θ_bl,g，计算齿轮之间的间隙引起的转动力矩M_b,g，所述M_b,g的计算公式为式（4）；

（4）；

其中，b_l,g为齿轮之间的间隙，p_b,g为齿轮间隙的惩罚因子，r_pn为从动轮半径,θ_bl,g为由齿轮之间弹性引起的转动角度变化的修正值。

由所述齿轮间弹性引起的转动力矩和齿轮之间的间隙引起的转动力矩构成所述齿轮所受外力引起的力矩M_ext，即为：

（5）；

其中，下标j代表第j个齿轮。

根据所述每一个齿轮的半径以及该齿轮所受外力引起的力矩M_ext，计算得到该齿轮所受的外力F_ext,j，F_ext,j的计算公式为式（6）：

（6）；

其中，M_ext,j为齿轮所受外力引起的力矩，r_pn为从动轮半径，e_r齿轮轴心指向齿轮接触线的方向。

根据所述每一个齿轮的质量m_j以及该齿轮在自身坐标系下所受的惯性力F_I,j，以及该齿轮所受的外力F_ext,j，根据齿轮平动方程计算得到该齿轮质心在自身坐标系下的位移。该位移具有x、y、z轴三个方向自由度。

其中，所述齿轮平动方程为式（7）：

（7）；

其中，下标j代表第j个齿轮，m_j为第j个齿轮的质量，u_j为第j个齿轮质心在自身坐标系下的位移，F_I,j为第j个齿轮在自身坐标系下所受的惯性力，F_ext,j为第j个齿轮所受的外力。

根据所述齿轮之间弹性引起的转动角度变化修正值θ_el,g，以及齿轮之间间隙引起的转动角度变化的修正值θ_bl,g，根据齿轮对之间的齿轮传动方程（8），计算得到每一个齿轮的转动角度在其自身转轴方向上的分量随时间变化的关系θ_2i(t)；

（8）；

其中，下标i为齿轮轴编号，下标2i表示该齿轮为从动轮，下标2i-1表示驱动轮，θ_el,g为齿轮之间弹性引起的转动角度变化修正值，θ_bl,g为齿轮之间间隙引起的转动角度变化的修正值。同轴的两个齿轮，其转动角度在其自身转轴方向上的分量时时相等。因此第2个到最后一个齿轮的传动方程均可封闭。根据所述每一个齿轮的转动惯量I_j，以及该齿轮在自身坐标系下所受的惯性力引起的力矩以及所受外力引起的力矩M_ext，根据齿轮转动方程（9）计算得到该齿轮的转动角度，齿轮的转动角度其自身转轴方向上的分量为θ，其余方向上的分量为0。

其中，所述齿轮转动方程为：

（9）；

其中，下标j代表第j个齿轮，R为齿轮的转动矩阵，上标T表示矩阵的转置，I为齿轮的转动惯量，φ为齿轮的转动角度，具有x、y、z轴三个方向自由度，M_I,j为第j个齿轮在自身坐标系下所受的惯性力引起的力矩，M_ext,j为第j个齿轮所受外力引起的力矩。

通过对齿轮传动方程的求解，获得各个齿轮质心位置随时间变化的轨迹，以及各个齿轮的转角、转速随时间的变化。由于齿轮弹性和齿轮间隙的影响，齿轮传动时会引入附加的周期性振荡，进而使齿轮轴产生周期性的应力。通过求解各个齿轮的运动状况，并通过齿轮对之间的弹性系数，计算出齿轮传动过程。

在上述步骤中的传动模型中，基于每一个齿轮对的初始弹性系数去构建传动模型，但是在实际应用过程中，由于齿轮传动时会引入附加的周期性振荡，模型计算出来的周期性振荡与实际测量得到周期性振荡在幅值和相位上存在一定的偏差，因此基于实际测量得到齿轮箱的周期性振动的幅值和相位，对齿轮的传动模型进行修正。将测量得到的所述齿轮箱的运动幅值和相位分别与所述平动轨迹和转动轨迹的幅值和相位进行比较，若一致，则将步骤S1中的传动模型作为修正后的传动模型，若不一致，对所述传动模型中的每一个齿轮对的弹性系数进行调整，并根据所述每一个齿轮对调整后的弹性系数，得到所述每一个齿轮对修正后的传动模型，计算得到每一个齿轮在所述时间段内修正后的平动轨迹和转动轨迹，并再次与所述测量得到的所述齿轮箱的运动幅值和相位比较，重复迭代，直到二者一致。从第1个齿轮对开始，依次调整齿轮传动参数，使得齿轮传动过程中的轴心振动轨迹幅度和相位变化，与设计运行的齿轮箱采集到的数据相一致。如图2所示的各个齿轮传动过程中产生的振动幅度和相位偏差。

将获取的所述齿轮箱的当前输入端转速和输出端负载输入所述每一个齿轮对修正后的传动模型，并结合有限元仿真分析，以当前时间点作为第一检测时间点，得到第一次检测周期内每一个齿轮轴上每一个位置的应力随时间变化的规律。常见的有限元分析软件均支持API（Application Programming Interface，应用程序接口）形式，对分析的过程进行动态的控制。以当前时间点作为第一次检测时间点，获取的所述齿轮箱的当前输入端转速和输出端负载输入所述每一个齿轮对修正后的传动模型，得到每一个齿轮在第一次检测周期内的随时间变化的平动轨迹和转动轨迹；将所述第一次检测周期内的平动轨迹和转动轨迹以刚性连接的方式输入到有限元仿真软件，进行建模分析，得到第一次检测周期内每一个齿轮轴上每一个位置的应力随时间变化的规律。本发明的一具体实施例，在所述有限元仿真软件中构建所述齿轮箱的三维结构，所述齿轮箱中每一个齿轮的三维结构用简单齿轮轴圆柱代替，如图3所示的一个极为复杂的齿轮箱系统。如图4所示为简化后为简单的齿轮轴圆柱。可以快速地获得给定齿轮箱和指定工况下的各个轴应力周期性变化规律。

根据疲劳分析公式以及所述每一个齿轮轴上每一个位置的应力随时间变化的规律，得到所述每一个齿轮轴上每一个位置的剩余折损次数，并得到所述第一次检测之后所述每一个齿轮轴上每一个位置所剩余寿命的百分比。具体地，根据疲劳分析公式以及所述每一个齿轮轴上每一个位置的应力随时间变化的规律，获取每一个位置在所述检测周期T_N内的最大应力和最小应力，计算得到每一个位置的剩余折损次数L_N，并计算得到每一个位置的剩余寿命为剩余折损次数与检测周期的乘积，即为L_NT_N。疲劳分析公式用于描述在应力作用下，材料最多还能经历多少个周期。通过疲劳分析公式（10）计算得到剩余折损次数L_N：

（10）；

其中，σ_max为最大应力，σ_min为最小应力，σ_f是疲劳强度系数，b是疲劳强度指数。根据齿轮轴的设计寿命，可以得到σ_f和b。通过式（8）可计算得到第一次检测后该位置剩余寿命为L₁，因此可以得到第一次检测后该位置剩余寿命百分比为1-1/L₁。因此可以获取第一次检测之后所述每一个齿轮轴上每一个位置所剩余寿命的百分比。

基于上述同样的方法，就可以得到每一次检测之后所述每一个齿轮轴上每一个位置所剩余寿命的百分比。基于该技术方案能够动态地得到齿轮轴上各个位置所剩余的寿命。所述齿轮轴上每一个位置的剩余寿命百分比的递推公式为：

（11）；

其中，N为检测次数，L_N为第N次检测后该位置的剩余折损次数，R_N为该位置的剩余寿命百分比。

如图5所示的本发明的一实施例，本发明提供一种基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估系统，所述系统包括：

传动模型构建模块50，用于基于齿轮箱中的每一个齿轮的齿数以及每一个齿轮对的弹性系数和间隙，并设定所述齿轮箱的边界条件，构建所述每一个齿轮对的传动模型，获取每一个齿轮随时间变化的平动轨迹和转动轨迹，所述边界条件包括齿轮箱的输入端转速和输出端负载；

校正模块51，用于将测量得到的所述齿轮箱的运动幅值和相位分别与所述平动轨迹和转动轨迹的幅值和相位进行比较，基于所述比较结果，对所述传动模型中的每一个齿轮对的弹性系数进行校正，并根据所述每一个齿轮对校正后的弹性系数，得到所述每一个齿轮对修正后的传动模型；

有限元仿真模块52，用于将获取的所述齿轮箱的当前输入端转速和输出端负载输入所述每一个齿轮对修正后的传动模型，并结合有限元仿真分析，以当前时间点作为第一次检测时间点，得到第一次检测周期内每一个齿轮轴上每一个位置的应力随时间变化的规律；

剩余寿命百分比计算模块53，用于根据疲劳分析公式以及所述每一个齿轮轴上每一个位置的应力随时间变化的规律，得到所述每一个齿轮轴上每一个位置的剩余折损次数，并得到所述第一次检测之后所述每一个齿轮轴上每一个位置所剩余寿命的百分比，重复执行，得到每一次检测之后所述每一个齿轮轴上每一个位置所剩余寿命的百分比。

传动模型构建模块根据所述齿轮箱中每一个齿轮的几何形状和材质，构建所述齿轮箱的三维结构模型，并以所述三维结构模型构建所述每一个齿轮对的传动模型，基于齿轮箱中的每一个齿轮的齿数以及每一个齿轮对的弹性系数和间隙，并设定所述齿轮箱的边界条件，通过齿轮的平动和方程和传动方程构建所述每一个齿轮对的传动模型，获取每一个齿轮随时间变化的平动轨迹和转动轨迹，获得各个齿轮质心位置随时间变化的轨迹，以及各个齿轮的转角、转速随时间的变化。

校正模块将测量得到的所述齿轮箱的运动幅值和相位分别与所述平动轨迹和转动轨迹的幅值和相位进行比较，若不一致，则通过所述传动模型构建模块中的平动方程和传动方程，对所述传动模型中的每一个齿轮对的弹性系数进行校正，并根据所述每一个齿轮对校正后的弹性系数，得到所述每一个齿轮对修正后的传动模型。

有限元仿真模块将获取的所述齿轮箱的当前输入端转速和输出端负载输入所述每一个齿轮对修正后的传动模型，利用有限元仿真分析，以当前时间点作为第一次检测时间点，得到第一次检测周期内每一个齿轮轴上每一个位置的应力随时间变化的规律。剩余寿命百分比计算模块根据疲劳分析公式以及所述每一个齿轮轴上每一个位置的应力随时间变化的规律，得到所述每一个齿轮轴上每一个位置的剩余折损次数，并得到所述第一次检测之后所述每一个齿轮轴上每一个位置所剩余寿命的百分比，重复执行，得到每一次检测之后所述每一个齿轮轴上每一个位置所剩余寿命的百分比。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。

Claims (10)

1.一种基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、基于齿轮箱中的每一个齿轮的齿数以及每一个齿轮对的弹性系数和间隙，并设定所述齿轮箱的边界条件，构建所述每一个齿轮对的传动模型，获取每一个齿轮随时间变化的平动轨迹和转动轨迹，所述边界条件包括齿轮箱的输入端转速和输出端负载；

S2、将测量得到的所述齿轮箱的运动幅值和相位分别与所述平动轨迹和转动轨迹的幅值和相位进行比较，基于所述比较结果，对所述传动模型中的每一个齿轮对的弹性系数进行校正，并根据所述每一个齿轮对校正后的弹性系数，得到所述每一个齿轮对修正后的传动模型；

S3、将获取的所述齿轮箱的当前输入端转速和输出端负载输入所述每一个齿轮对修正后的传动模型，并结合有限元仿真分析，以当前时间点作为第一次检测时间点，得到第一次检测周期内每一个齿轮轴上每一个位置的应力随时间变化的规律；

S4、根据疲劳分析公式以及所述每一个齿轮轴上每一个位置的应力随时间变化的规律，得到所述每一个齿轮轴上每一个位置的剩余折损次数，并得到所述第一次检测之后所述每一个齿轮轴上每一个位置所剩余寿命的百分比；

S5、重复执行步骤S3~S4，得到每一次检测之后所述每一个齿轮轴上每一个位置所剩余寿命的百分比。

2.如权利要求1所述的基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：

根据所述齿轮箱中每一个齿轮的几何形状和材质，构建所述齿轮箱的三维结构模型，并以所述三维结构模型构建所述每一个齿轮对的传动模型；

根据所述几何形状和材质，获取所述每一个齿轮的质量和转动惯量。

3.如权利要求2所述的基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：

设置所述齿轮箱中的每一个齿轮轴编号i，所述齿轮箱的每一个齿轮编号为j，设置j=1为第一个齿轮，并作为所述齿轮箱的输入端，若j=2i，则该齿轮为从动轮；若j=2i+1，则该齿轮为驱动轮；

根据所述齿轮箱的输入端转速，计算第一个齿轮转动角度在转轴方向上的分量，并作为所述第一个齿轮转动方程的边界条件；

将所述齿轮箱的输出端负载作为最后一个齿轮的转动方程的边界条件。

4.如权利要求3所述的基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：

设置齿轮之间的初始弹性系数，以及齿轮之间弹性引起的转动角度变化修正值，计算得到齿轮间弹性引起的转动力矩；

设置齿轮之间的间隙，以及齿轮之间间隙引起的转动角度变化的修正值，计算齿轮之间间隙引起的转动力矩；

由所述齿轮间弹性引起的转动力矩和齿轮之间间隙引起的转动力矩构成所述齿轮所受外力引起的力矩。

5.如权利要求4所述的基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：

根据所述每一个齿轮的半径以及该齿轮所受外力引起的力矩，计算得到该齿轮所受的外力；

根据所述每一个齿轮的质量以及该齿轮在自身坐标系下所受的惯性力，以及该齿轮所受的外力，根据齿轮平动方程计算得到该齿轮质心在自身坐标系下的位移。

6.如权利要求5所述的基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

根据所述齿轮之间弹性引起的转动角度变化修正值，以及齿轮之间间隙引起的转动角度变化的修正值，根据齿轮对之间的齿轮传动方程，计算得到每一个齿轮的转动角度在其自身转轴方向上的分量随时间变化的关系；

根据所述每一个齿轮的转动惯量，以及该齿轮在自身坐标系下所受的惯性力引起的力矩以及所受外力引起的力矩，根据齿轮转动方程计算得到该齿轮的转动角度。

7.如权利要求6所述的基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

以当前时间点作为第一次检测时间点，将获取的所述齿轮箱的当前输入端转速和输出端负载输入所述每一个齿轮对修正后的传动模型，得到每一个齿轮在第一次检测周期内随时间变化的平动轨迹和转动轨迹；

将所述第一次检测周期内的平动轨迹和转动轨迹以刚性连接的方式输入到有限元仿真软件，得到第一次检测周期内每一个齿轮轴上每一个位置的应力随时间变化的规律。

8.如权利要求7所述的基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

根据疲劳分析公式以及所述每一个齿轮轴上每一个位置的应力随时间变化的规律，获取每一个位置在所述检测周期内的最大应力和最小应力，计算得到每一个位置的剩余折损次数，并计算得到每一个位置的剩余寿命为剩余折损次数与检测周期的乘积。

9.如权利要求8所述的基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估方法，其特征在于，所述齿轮轴上每一个位置的剩余寿命百分比的递推公式为：

；

其中，N为检测次数，L_N为第N次检测后该位置的剩余折损次数, R_N为该位置的剩余寿命百分比。

10.一种基于数字孪生模型的齿轮箱寿命动态评估系统，所述系统包括：

传动模型构建模块，用于基于齿轮箱中的每一个齿轮的齿数以及每一个齿轮对的弹性系数和间隙，并设定所述齿轮箱的边界条件，构建所述每一个齿轮对的传动模型，获取每一个齿轮随时间变化的平动轨迹和转动轨迹，所述边界条件包括齿轮箱的输入端转速和输出端负载；

校正模块，用于将测量得到的所述齿轮箱的运动幅值和相位分别与所述平动轨迹和转动轨迹的幅值和相位进行比较，基于所述比较结果，对所述传动模型中的每一个齿轮对的弹性系数进行校正，并根据所述每一个齿轮对校正后的弹性系数，得到所述每一个齿轮对修正后的传动模型；

有限元仿真模块，用于将获取的所述齿轮箱的当前输入端转速和输出端负载输入所述每一个齿轮对修正后的传动模型，并结合有限元仿真分析，以当前时间点作为第一次检测时间点，得到第一次检测周期内每一个齿轮轴上每一个位置的应力随时间变化的规律；

剩余寿命百分比计算模块，用于根据疲劳分析公式以及所述每一个齿轮轴上每一个位置的应力随时间变化的规律，得到所述每一个齿轮轴上每一个位置的剩余折损次数，并得到所述第一次检测之后所述每一个齿轮轴上每一个位置所剩余寿命的百分比，重复执行，得到每一次检测之后所述每一个齿轮轴上每一个位置所剩余寿命的百分比。

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