(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210594906.5 (22)申请日 2022.05.27 (71)申请人 东北大学 地址 110819 辽宁省沈阳市和平区文化路 三巷11号 申请人 东北大学佛山研究生院 (72)发明人 罗忠　李雷　崔泽文　周吉来　 (74)专利代理 机构 大连东方专利代理有限责任 公司 21212 专利代理师 陈丽　李洪福 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G01B 7/02(2006.01) G01H 17/00(2006.01)G01P 15/00(2006.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 航空发动机转子系统的数字孪生体建模方 法及数字 孪生体 (57)摘要 本发明公开了航空发动机转子系统的数字 孪生体建模 方法及数字孪生体， 涉及发动机转子 系统技术领域， 包括： 通过有限单元法建立转子 系统的数字孪生体； 利用模型缩减 方法对数字孪 生体进行模 型缩减； 模型缩减 方法为固定界面模 态综合法， 通过获取全约束转子系统有限元模型 的主模态并截 取低阶模态实现模 型缩减； 对数字 孪生体的振动信号进行仿真计算； 获取物理实体 实时监测的位置， 对比该位置的仿真振动信号与 实测振动信号， 分析计算二者误差， 基于误差对 数字孪生体的载荷参数与支承参数进行实时修 正， 使仿真信号与实测信号达到高度一致。 本发 明通过模型缩减 方法降低模型自由度， 提高计算 分析效率， 保证交 互映射的实时性。 权利要求书1页 说明书6页 附图2页 CN 115062424 A 2022.09.16 CN 115062424 A 1.一种航空发动机转子系统的数字 孪生体建模方法， 其特 征在于， 所述方法包括： 获取转子系统几何尺寸 参数、 材料参数、 载荷参数以及工作转速； 基于所述转子系统的几何尺寸参数、 材料参数、 载荷参数以及工作转速通过有限单元 法建立转子系统的数字 孪生体； 利用固定界面模态综合法对数字孪生体进行模型缩减； 所述固定界面模态综合法通过 获取全约束转子系统有限元模型的主模态并截取低阶模态实现模型缩 减； 对模型缩减后的数字 孪生体的振动信号进行仿真计算， 得到 仿真振动信号。 2.根据权利要求1所述的一种航空发动机转子系统的数字孪生体建模方法， 其特征在 于， 还包括： 对转子系统物理实体运行过程中的振动信号进行实时监测， 得到实测振动信号， 所述 实测振动信号包括振动位移、 速度以及加速度； 获取物理实体实时监测的位置， 对比该位置的仿真振动信号与实测振动信号， 分析计 算二者之间的误差， 基于误差对数字孪生体的载荷参数与支承参数进行实时修正， 使仿真 信号与实测信号达 到一致。 3.根据权利要求2所述的一种航空发动机转子系统的数字孪生体建模方法， 其特征在 于， 所述实测振动信号 通过电涡流 位移传感器与加速度传感器获得。 4.根据权利要求1所述的一种航空发动机转子系统的数字孪生体建模方法， 其特征在 于， 获取转子系统几何尺寸 参数、 材料参数、 载荷参数， 包括： 从转子系统的几何图纸或三维模型中获得几何尺寸 参数； 从转轴、 转盘所用材 料的牌号中获得 材料参数； 根据影响系数法获得 载荷参数。 5.根据权利要求1所述的一种航空发动机转子系统的数字孪生体建模方法， 其特征在 于， 数字孪生模型中包括滚动轴承非线性因素、 组合支承非线性因素与连接结构的时变刚 度特性。 6.根据权利要求5所述的一种航空发动机转子系统的数字孪生体建模方法， 其特征在 于， 滚动轴承非线性因素通过赫兹接触理论与弹性力学推导以及有限元法获得。 7.根据权利要求1所述的一种航空发动机转子系统的数字孪生体建模方法， 其特征在 于， 利用固定界面模态综合法对数字 孪生体进行模型缩 减， 包括： 当支承为 正常刚度时， 提取刚度K、 质量M矩阵； 计算得到约束模态 矩阵； 当支承为全约束时， 进行模态分析， 计算得到主模态 矩阵； 基于所述主模态 矩阵和所述约束模态 矩阵得到坐标变换矩阵； 利用所述 坐标变换矩阵得到转子系统维数缩 减后的振动方程。 8.一种利用权利要求1～7任一项所述的发动机转子系统的数字孪生体建模方法构建 的航空发动机转子系统实时交 互的数字 孪生体。 9.一种计算机可读存储介质， 该计算机可读存储介质内存储有计算机指令集， 计算机 指令集被处理器执行时实现如权利要求1～7任一项所述的航空发动机转子系统的数字孪 生体建模方法。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115062424 A 2航空发动机转子系统的数字孪生体建模方 法及数字孪生体 技术领域 [0001]本发明涉及发动机转子系统技术领域， 特别是涉及一种航空发动机转子系统的实 时交互的数字 孪生体建模方法及数字 孪生体。 背景技术 [0002]航空发动机转子系统结构复杂、 载荷多变、 工况恶劣、 非线性因素众多， 其振动行 为复杂， 并引起不同程度的转子故障， 但航空发动机转子系统的全部振动行为尚不明确。 理 论解析难以准确反映航空发动机转子系统的振动特征， 数值仿 真只能实现单一工况下的计 算， 无法实时监测转子的振动行为， 且计算的准确性也难以保证。 试验研究存在周期长、 成 本高、 风险大等因素的 限制。 针对此问题， 数字孪生体可以实时反映航空发动机转子系统物 理实体的振动行为， 可用于进 行实时状态监测与故障预警。 此外， 数字孪生体与物理实体的 实时数据交 互， 可保证数字 孪生体的准确性。 [0003]数字孪生技术要求数字孪生体实时地反映物理实体的行为特征， 以实现实时状态 监测与故障行为预警。 然而， 航空发动机转子系统结构复杂、 自由度多， 导致数字孪生体的 计算成本高昂， 难以保证数字孪生体与物理实体之间交互映射的实时性。 数字孪生体与物 理实体的实时交互若不能保 障， 将导致数字孪生体无法实时接 收物理实体的振动信号， 进 而严重影响数字孪生体的建模精度， 也无法实现实时状态监测。 因此， 数字孪生体的实时交 互映射建模具有重要的科 学与实际意 义。 [0004]目前已有的转子系统数字孪生体建模方法给出了一些建模方案， 虽然能够建立转 子系统数字孪生体， 但是往往需要引入庞大的计算量， 导致数字孪生体计算时长大幅增加， 严重影响了数字孪生体与物理实体的实时交互， 而未给出保证交互实时性的具体方案， 且 建立的孪生模型较为复杂， 难以实现数字孪生体与物理实体的实时交互， 严重影响数字孪 生体的准确性。 发明内容 [0005]有鉴于此， 本发明的目的是提供一种航空发动机转子系统的数字孪生体建模方法 及数字孪生体。 针对航空发动机转子系统结构复杂、 自由度多的问题， 给出基于模型缩减的 数字孪生体 建模方法， 通过模型缩减方法降低模型自由度， 提高计算分析效率， 保证交互映 射的实时性。 建立保证转子系统振动行为实时交互映射的数字孪生体， 实现转子系统数字 孪生体与物理实体的实时交 互映射， 进 而提高数字 孪生体的建模精度， 实现实时状态监测。 [0006]为此， 本发明提供了以下技 术方案： [0007]一方面， 本发明提供了一种航空发动机转子系统的数字孪生体建模方法， 所述方 法包括： [0008]获取转子系统几何尺寸 参数、 材料参数、 载荷参数以及工作转速； [0009]基于所述转子系统的几何尺寸参数、 材料参数、 载荷参数以及工作转速通过有限 单元法建立 转子系统的数字 孪生体；说　明　书 1/6 页 3 CN 115062424 A 3