[发明专利]齿轮动力传播数字孪生模型构建方法

权利要求书

1.一种齿轮动力传播数字孪生模型构建方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤S1：构建目标齿轮的三维模型，获取目标齿轮的材料属性和工作参数；

步骤S2：结合齿轮性能指标要求，利用目标齿轮的三维模型进行多次有限元仿真，每次仿真均对网格划分方案进行随机调整，并随机选取工作参数作为当次仿真的工况参数，得到齿轮仿真数据；

步骤S3：利用其中一次有限元仿真的齿轮仿真数据求解齿轮状态在时间上的差分增量，从而构建齿轮动力传播数字孪生模型；

步骤S4：将齿轮仿真数据随机多批次输入到所述齿轮动力传播数字孪生模型中进行前向传播计算，并与对应有限元仿真过程的数据进行比较，将两者的差值作为损失；通过随机梯度优化器优化齿轮动力传播数字孪生模型的参数使损失降低至设定阈值以内，得到最终的齿轮动力传播数字孪生模型；

所述步骤S3中，齿轮状态在时间上的差分增量的求解方法为：

31)利用动力信息编码网络将齿轮每个节点i的状态向量x_i编码至隐空间向量h_i；

32)根据所有节点的隐空间向量h_i在齿轮上的原始坐标位置，构建节点图G'；

33)构建节点图G'的对称规范化拉普拉斯矩阵，将图G送入动力信息前向传播网络中，模拟齿轮在复杂动力环境下的作用规律，输出G^M；

34)利用动力信息解码网络得到当前时刻节点状态向量的微分表示将节点状态向量微分叠加到上一时刻的节点状态矩阵中，并根据数字孪生体的边界条件更新节点状态矩阵信息，得到齿轮动力传播数字孪生模型为：

其中，表示齿轮数字模型在t_k时刻的状态矩阵；表示齿轮数字模型在t_k+1时刻的状态矩阵；T_mask和F_mask均为掩码算子，且：T_mask算子矩阵中所有处于边界条件点对应的系数均为0，非边界条件节点对应的系数均为1；为T_mask的二进制取反，F_mask算子表示齿轮受外部工况设定约束导致的变化量。

2.根据权利要求1所述的齿轮动力传播数字孪生模型构建方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述工作参数包括功率、转速和负载的工作区间。

3.根据权利要求1所述的齿轮动力传播数字孪生模型构建方法，其特征在于：所述步骤S2中，齿轮仿真数据获取方法如下：

21)保存每次仿真中每一个时间步节点i的节点位移u_i、节点速度v_i、节点加速度a_i和节点力f_i，并组合成节点状态向量x_i；

22)将所有节点状态向量进行组合，得到第k个仿真时间步的齿轮状态矩阵进而得到每次仿真所有时间步的过程数据为其中K为总时间步数；

23)每次仿真最终得到的性能指标为P，P为一固定向量，表征时间t₀～t_K中齿轮的各项性能指标，则第m次仿真得到的齿轮仿真数据为所有M次仿真得到齿轮仿真数据集

4.根据权利要求1所述的齿轮动力传播数字孪生模型构建方法，其特征在于：所述步骤31)中，利用动力信息编码网络将齿轮每个节点i的状态向量x_i编码至隐空间向量h_i的方法为：

311)从目标齿轮的三维模型中随机采样节点，从齿轮仿真数据集D'中选择出和当次工况、时间对应的齿轮状态矩阵通过对进行线性或高阶插值获取每个采样节点i的状态向量x_i；

312)将每一个状态向量x_i均送入同一个共享的动力信息编码网络MLP，并输出隐空间向量h_i，隐空间向量h_i记录了采样节点i在齿轮上的原始坐标位置。