[发明专利]齿轮动力传播数字孪生模型构建方法

说明书

本发明公开了一种齿轮动力传播数字孪生模型构建方法，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，构建齿轮动力传播数字孪生模型；步骤S4：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，能够应用于齿轮修形，能够实现在设计阶段对齿轮进行快速精确修形的技术目的。

技术领域

本发明属于齿轮设计技术领域，具体的为一种齿轮动力传播数字孪生模型构建方法。

背景技术

新能源汽车电驱动系统传动齿轮集成优化设计难度大，功率密度性能要求高，且NVH等指标要求更为严格，对齿轮的修形设计带来了新的挑战。传统齿轮修形方法多采用有限元仿真和经验辅助迭代优化的方式进行齿轮修形，此类方法受限于仿真计算速度慢、仿真计算精度偏差和系统性修形理论方法缺失导致修形过程需反复迭代，不仅修形周期长，修形效果也难以在设计阶段得到保证，且多仅能针对齿轮单一性能指标进行针对性修形，难以统筹齿轮多性能指标进行协同修形，无法满足当前新能源汽车电驱系统齿轮性能指标相对应的修形设计要求。传统齿轮修形方法缺陷的主要原因集中在两点：

1、齿轮真实运行过程中的复杂动力学偏微分方程高度非线性，无法得到解析解，数值仿真计算速度慢；

2、齿轮修形量和最终的目标性能指标间不具备微分关系，在设计阶段只能借助于离散优化通过数次仿真找到一个相对好的修形量，过程非常耗时，不适用于新能源汽车电驱系统所要求的精细齿轮修形设计。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种齿轮动力传播数字孪生模型构建方法，构建得到的齿轮动力传播数字孪生模型能够应用于齿轮修形，能够实现在设计阶段对齿轮进行快速精确修形的技术目的。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种齿轮动力传播数字孪生模型构建方法，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。

进一步，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。

进一步，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；