一种轧制联轴器的应力数字孪生体的构建方法

1.本发明属于机械生产技术领域，涉及一种轧机联轴器应力数字孪生体的构建方法。


背景技术：

2.轧制联轴器是轧机主传动系统的重要承载部件，在实际实用过程中容易出现开裂等问题，因此轧钢厂非常希望实现对其服役应力的实时监测。数字孪生体是实现设备状态实时监测的一种有效方式。


技术实现要素：

3.本发明旨在提供一种轧机联轴器的应力数字孪生体的构建方法，通过联合联轴器动态轧制仿真模型、数学响应面模型和在线监测软件来定义应力数字孪生体,实现对轧制联轴器服役应力状态实时监测。
4.发明的技术方案：一种轧制联轴器的应力数字孪生体的构建方法，具体步骤如下：步骤1：建立联轴器动态轧制柔性瞬态动力学仿真参数化模型,考虑了滑块与叉头、滑块与扁头的间隙，以及磨损导致的间隙增大，以此而产生的冲击效应；步骤2：实时监测轧制联轴器的服役工况参数，包括：轧制扭矩、扁头与叉头的相对伸缩量、以及扁头的水平摆角、装配间隙四个参数,并将测得参数集成到监测软件中；步骤3：通过软件接口将联轴器瞬态动力学仿真参数化模型与监测软件进行数据交互，将监测得到的联轴器的服役工况参数实时传输至动力学仿真参数化模型进行求解，并将应力云图传至监测软件,实现轧制联轴器服役应力的实时全面动态展示。
5.所述步骤2中，通过在扁头的侧边附近的地基上安装2个电涡流传感器进行测量联轴器扁头的轴向伸缩、横向位移2个参数，通过轴向位移和横向位移换算可以得到水平摆角参数。
6.本发明的有益效果：提供的一种轧机联轴器的应力数字孪生体的构建方法来定义应力数字孪生体,可以有效实现对轧制联轴器服役应力状态实时监测，对轧制联轴器服役应力实时全面动态展示。
附图说明
7.图1为本发明实施例中轧机联轴器应力数字孪生体的构建方法的流程示意图。
8.图2为本发明实施例中联轴器三维模型示意图。
9.图3为本发明实施例中轧制联轴器的服役工况参数监测示意图。
10.图中：注释1-轧辊安装槽，2-扁头，3-滑块，4-叉头，5-轧辊，6-联轴器，7-传动轴，8-电机侧，9-应变扭矩传感器，10-数据采集卡，11-电涡流传感器，12-地基，13-监测软件。
具体实施方式
11.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
12.图1所示，一种轧机联轴器应力数字孪生体的构建方法，包括以下步骤：步骤1：建立联轴器动态轧制柔性瞬态动力学仿真参数化模型。首先，采用solidworks软件建立三维模型，三维模型包括叉头4、扁头2、十字轴和滑块3四部分，如图2所示。之后，将模型导入到hypermesh软件中，采用合适的网格划分来建立仿真模型，在联轴器6接头关键区采用自适应单元划分方法划分网格，在非关键区，简化不影响计算的特征，采用较大网格尺寸。在hypermesh软件中通过定义接触对的方式模拟滑块3与扁头2、叉头4之间的间隙接触装配关系，通过调节滑块3表面节点的位移量模拟磨损之后的间隙。将hypermehs中的建模过程编制成相应的命令流，命令流中将滑块3表面节点的位移量、扁头2与叉头4的相对轴向伸缩、扁头2的水平摆角、峰值扭矩做成输入参数。建模时可调用命令流，从而可迅速实现不同参数下的真实模型建模。以上所建立的联轴器动态轧制刚柔耦合瞬态动力学参数化模型，定义了装配间隙、扁头2与叉头4的相对轴向伸缩、扁头2的水平摆角、峰值扭矩四个参数，通过参数的不断变化，从而可以构建一个与真实物理模型一致的动态虚拟模型。此外，考虑了滑块3与叉头4、滑块3与扁头2不断磨损导致的间隙增大，以此而产生的冲击效应，从而具有较高的准确性。
13.步骤2：实时监测轧制联轴器的服役工况参数，并将测得参数集成到监测系统中。参数监测系统的布置如图3所示,通过在扁头2的侧边附近的地基12上安装2个电涡流传感器11进行测量联轴器扁头2的轴向伸缩、横向位移2个参数，通过轴向位移和横向位移换算可以得到水平摆角参数。扭矩则通过在轴上安装应变式扭矩传感器9来测试轧制瞬态扭矩。由于整个轧制系统为转动件，不能采用有线方式测量，对此采用无线方式:无线节点+无线网关的形式。为保证扭矩测量的精度，避免传感器零飘，蠕变等问题，以及减小电流消耗，使用350欧姆或更大阻值应变片。粘贴应变片前用数字万用表对同一批应变片进行测量，将350
±
2欧姆范围内的选出。使用专用扭矩测量应变片(45
°
)组成全桥进行扭矩测量，可以使用单片半桥应变片，上下对称沿轴向贴片，组成全桥，该贴法具有消除弯曲影响的优点。无线测量需要考虑数据传输的稳定性和传输距离，考虑到测试场地十分庞大，项目选择用zig bee搭建无线传感器网络将数据直接传送到网关或相应的计算机。测试系统的软件采用东华动态测试系统，设置合适的采样率后，可实现参数的实时监测。
14.步骤3：通过软件接口将联轴器瞬态动力学仿真参数化模型与监测系统进行数据交互，实现轧制联轴器服役应力的实时全面动态展示。采用tcl语言编写软件接口，实时读取监测系统中的轧制参数，包括装配间隙、扁头2与叉头4的相对轴向伸缩、扁头2的水平摆角、峰值扭矩四个参数，储存为.xls格式，该格式可以被有限元软件读取。有限元动力学仿真参数化模型定时读取.xls文件中的轧制四个参数，读取完后，根据命令流快速建模并进行仿真求解，同时，将建立的模型展示在有限元软件hypermesh中。仿真完成后，截取应力云图传递到监测系统进行实时展示。以上操作均通过tcl语言编程完成，无需人为干预。
15.步骤（3）中，所述的监测软件为普通现有技术的一般公用监测软件，无特别要求。


技术特征：
1.一种轧制联轴器数字孪生体构建方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：建立联轴器动态轧制柔性瞬态动力学仿真参数化模型,考虑了滑块与叉头、滑块与扁头的间隙，以及磨损导致的间隙增大，以此而产生的冲击效应；步骤2：实时监测轧制联轴器的服役工况参数，包括轧制扭矩、扁头与叉头的相对伸缩量以及扁头的水平摆角、装配间隙四个参数,并将测得参数集成到监测软件中；步骤3：通过软件接口将联轴器瞬态动力学仿真参数化模型与监测软件进行数据交互，将监测得到的联轴器的服役工况参数实时传输至动力学仿真参数化模型进行求解，并将应力云图传至监测软件,实现轧制联轴器服役应力的实时全面动态展示。2.根据权利要求1所述的一种轧制联轴器数字孪生体构建方法，其特征在于：所述步骤2中，通过在扁头的侧边附近的地基上安装2个电涡流传感器进行测量联轴器扁头的轴向伸缩、横向位移2个参数，通过轴向位移和横向位移换算可以得到水平摆角参数。

技术总结
本发明公开了一种轧制联轴器的应力数字孪生体的构建方法，通过联合联轴器动态轧制仿真模型、数学响应面模型和在线监测软件来定义数字孪生体，流程包括：首先基于刚柔性耦合动力学建立其动态轧制仿真模型。然后，开展多工况应力仿真，在此基础上构建应力变化规律与轧制动态参数的数学响应面模型。最后，将响应面模型用软件语言进行封装，通过软件接口实现模型与现有监测系统的实时数据交互，从而实现构建轧制联轴器应力的孪生体模型。本发明构建的轧制联轴器应力数字孪生体，可以实时全面动态展示轧制联轴器的服役应力。展示轧制联轴器的服役应力。展示轧制联轴器的服役应力。


技术研发人员：扶志刚 姜永正 周晓峰 盛昌文 吴国兵 朱升硕
受保护的技术使用者：湖南科技大学
技术研发日：2021.11.26
技术公布日：2022/3/8