[发明专利]一种基于沉桩过程的数字孪生建模方法

说明书

本发明涉及先进制造与自动化技术领域，特别是涉及一种基于沉桩过程的数字孪生建模方法，该方法包含施工装备实体：用于在实际施工中产生动态参数；数据采集平台：用于实现相关参数的传感、采集、传输及处理；数字孪生模型：通过融合相关的几何/物理模型进行仿真，结合输入的参数，实时预测打桩模型的后续状态，输出预测参数；智能调控系统：实时可视化显示当前打桩过程的核心参数数值并输出部分参数的预测值。本发明可以实现对沉桩过程的核心参数进行远程实时监测，同时预测后续的变化情况；在实际施工中可以根据数字孪生模型输出的预测结果优化施工过程，提高沉桩过程的安全性、效率以及保证沉桩过程中的各项技术指标符合国家标准。

技术领域

本发明涉及先进制造与自动化技术领域，特别是涉及一种基于沉桩过程的数字孪生建模方法。

背景技术

安装海上风机是利用风能源的一种重要途径，目前桩基础为安装海上风机的一种重要安装形式。随着海上风机装机容量的不断加大以及装机离岸距离越来越远，对风机的安装提出了更高的要求，只有不断优化现有的沉桩施工过程，才能保证高质量、高精度、高效率的完成海上风机安装。

目前的沉桩过程主要检测目标对象为桩体安装垂直度及桩的贯入度，但目前采用的检测方法是每相隔一定的锤击次数或桩体位移检测一次，若符合要求则继续施工，不符合则停下来进行调整。所以目前的沉桩过程并不能实时、连续的监测施工过程中核心参数的变化，更不能随着作业实际情况进行动态调整，而沉桩设备调控不及时、不准确等问题可能会导致在沉桩过程中发生贯入度剧变、桩身倾斜或桩出现严重裂缝等严重施工问题，不仅会造成巨大的财产损失，还会酿成安全事故。因此，对沉桩过程的核心参数进行远程实时监测，同时预测后续的变化情况，对保证高精度、高效率的完成海上风机安装具有重要的现实意义。

发明内容

本发明目的是针对背景技术中存在的问题，提出一种基于沉桩过程的数字孪生建模方法。

本发明的技术方案，一种基于沉桩过程的数字孪生建模方法，包括构建数据采集平台、数字孪生模型、孪生数据驱动施工过程优化的数字孪生模型框架；构建可以实时输出每次打桩过程中核心参数的变化情况和远程可视化的将数据展现在施工人员面前的数字孪生模型系统；构建了包括沉桩过程数字孪生预防施工事故预测模型与沉桩过程数字孪生垂直度误差预测及纠正模型的沉桩过程数字孪生预测模型系统。通过所建立的模型可以远程检测沉桩过程，还可以实时输出沉桩过程的垂直度误差并预测后续垂直度误差，通过数字孪生系统的反馈数据再优化实际沉桩过程。数字孪生系统整体框架图如图1所示。

通过功能与特征分析，结合运动特性，将实际复杂的液压系统简化为一液压锤。再通过确定沉桩过程各部件的类型及功能，考虑到实际建模仿真的准确性要求，对替打件、替打环和桩体进行一比一建模。最终构建出由液压锤、替打件、替打环和桩体构成的沉桩过程简化三维模型，兼顾了增强仿真的准确性和减小计算时间的要求。沉桩过程简化三维模型图如图2所示。

通过对沉桩过程运行特性的分析，综合考虑实际施工所关注的核心数据，确定了以各部件位移x(包含三个分量)、各部件速度v(包含三个分量)、各部件加速度a、各接触面间竖直接触力F_N、各接触面间侧向力F_f、锤击效率η、桩体垂直度误差μ为沉桩过程核心运行参数，并通过数字孪生系统远程可视化的展现给操作人员，方便现场施工人员检测沉桩过程和快速判断施工状态。

构建一套沉桩过程数字孪生预测模型系统，包含包括沉桩过程数字孪生预防施工事故预测模型与沉桩过程数字孪生垂直度误差预测及纠正模型两部分。

可以提前计算沉桩过程中的加速度与接触力并与提前设定好最大容许值进行比较，防止在沉桩过程中出现过大的加速度与接触力。数字孪生预防施工事故预测模型的流程框图如图3所示。

通过有限元仿真计算，得到垂直度误差预测曲线与侧向力预测曲线，且随着沉桩过程不断进行，预测曲线也会不断更新，保证沉桩过程安全进行。