基于数字孪生的具身智能体固态储氢瓶寿命预测与更换决策系统

本发明涉及固态储氢瓶健康监测与寿命评估，尤其涉及一种基于数字孪生的具身智能体固态储氢瓶寿命预测与更换决策系统。

背景技术：

1、固态储氢瓶作为氢能储运系统的核心承压设备，其金属罐体在长期充放氢循环过程中面临氢渗透、陷阱累积与氢致开裂等退化问题，罐体结构寿命的准确预测与更换时机的合理决策直接关系到系统的运行安全与运维经济性。现有技术中，储氢瓶的健康监测多采用数字孪生模型结合外壁传感器数据进行状态估计，通过有限元仿真推演罐体的应力场与氢扩散场，并以传感器测量值对仿真结果进行修正，从而评估罐体的损伤状态并预测剩余寿命。

2、然而，现有技术所依赖的罐体材料内部陷阱密度与陷阱氢浓度分布等关键参数仅能通过离线取样检测获得，无法在储氢瓶运行过程中实现在线定量测定，导致数字孪生模型的氢扩散场求解缺乏可靠的实测数据约束，状态估计结果与实际损伤状态之间存在显著偏差，进而使得寿命预测与更换决策的准确性难以保证。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于数字孪生的具身智能体固态储氢瓶寿命预测与更换决策系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于数字孪生的具身智能体固态储氢瓶寿命预测与更换决策系统，包括：

3、第一检测模块，其布设于固态储氢瓶金属罐体外壁，用于在充氢阶跃过程中采集外壁氢渗透电流的阶跃响应曲线，从所述阶跃响应曲线中提取突破时间和准稳态渗透通量，由所述突破时间反演晶格扩散系数，由所述准稳态渗透通量和所述晶格扩散系数联合反演监测区域的陷阱密度；

4、第二检测模块，其可沿所述固态储氢瓶外壁移动，用于在所述固态储氢瓶内部压力稳定条件下前往检测点位测量外壁准稳态渗透电流，并将检测数据回传；

5、数据处理模块，其构建罐体数字孪生模型，所述罐体数字孪生模型包含弹塑性应力应变模型和双种群氢扩散模型，所述数据处理模块用于接收所述第一检测模块反演的所述陷阱密度和所述第二检测模块回传的所述检测数据，以所述弹塑性应力应变模型输出的等效塑性应变场确定陷阱密度场的先验分布，在所述先验分布基础上采用数据同化算法更新全域可扩散氢浓度、陷阱氢浓度和陷阱密度的空间分布；

6、评估决策模块，其用于基于所述数据处理模块更新后的所述全域可扩散氢浓度、所述陷阱氢浓度和所述陷阱密度的空间分布，采用加速模拟方法模拟未来充放氢循环下的损伤演化，由综合损伤指数预测剩余使用寿命，并预演多种更换策略的总期望成本以输出最优更换决策。

7、优选地，所述第一检测模块包括：

8、采集单元，其用于在充氢阶跃过程中采集所述外壁氢渗透电流，生成所述阶跃响应曲线；

9、特征提取单元，其用于从所述阶跃响应曲线中提取所述突破时间和所述准稳态渗透通量；

10、反演单元，其用于由所述突破时间反演所述晶格扩散系数，由所述准稳态渗透通量和所述晶格扩散系数联合反演所述陷阱密度。

11、优选地，所述特征提取单元具体用于：

12、将充氢开始时刻至所述外壁氢渗透电流经平滑处理后首次达到所述外壁氢渗透电流经平滑处理后的准稳态值的预设比例的时刻之间的时间间隔确定为所述突破时间；

13、将所述外壁氢渗透电流经平滑处理后的准稳态值经法拉第定律换算为所述准稳态渗透通量。

14、优选地，所述反演单元具体用于：

15、由反演所述晶格扩散系数，其中为罐体壁厚，为所述突破时间，15.3为突破时间法对应的无量纲常数；

16、由反演所述陷阱密度，其中为捕获速率常数，为脱附速率常数，为内壁可扩散氢浓度，为所述准稳态渗透通量；

17、所述内壁可扩散氢浓度由所述固态储氢瓶的内部氢气压力和温度经sieverts定律确定。

18、优选地，所述第二检测模块包括：

19、移动单元，其用于沿所述固态储氢瓶外壁移动至所述检测点位；

20、检测单元，其设置于所述移动单元，用于在所述固态储氢瓶内部压力稳定条件下与罐体外壁接触，待响应稳定后测量所述外壁准稳态渗透电流；

21、调度单元，其用于根据所述数据处理模块输出的所述陷阱氢浓度的空间分布确定氢脆风险分布，根据所述氢脆风险分布生成检测任务，驱动所述移动单元前往所述氢脆风险分布中风险值超过预设阈值的区域进行加密检测。

22、优选地，所述数据处理模块包括：

23、建模单元，其用于建立罐体三维有限元网格模型；

24、应力求解单元，其用于根据内部压力、温度和循环载荷历史，采用弹塑性本构模型求解罐体的应力场、静水应力场和所述等效塑性应变场；

25、扩散求解单元，其用于在所述罐体三维有限元网格模型上求解可扩散氢浓度和陷阱氢浓度的耦合控制方程组，所述陷阱氢浓度由langmuir吸附等温式计算；

26、同化单元，其用于以所述第一检测模块反演的所述陷阱密度和所述第二检测模块测量的所述外壁准稳态渗透电流为观测值，对所述扩散求解单元输出的浓度分布和所述陷阱密度场的先验分布进行数据同化更新，得到所述全域可扩散氢浓度、所述陷阱氢浓度和所述陷阱密度的空间分布。

27、优选地，所述扩散求解单元具体用于求解以下耦合控制方程组：

28、

29、

30、其中，为可扩散氢浓度，为陷阱氢浓度，为晶格扩散系数，为氢原子偏摩尔体积，为气体常数，为绝对温度，为静水应力，为陷阱密度，为捕获速率常数，为脱附速率常数，为梯度与散度算子；

31、在准稳态条件下，所述陷阱氢浓度由计算，其中为陷阱平衡常数。

32、优选地，所述同化单元具体用于：

33、以所述等效塑性应变场确定所述陷阱密度场的先验分布，陷阱密度与等效塑性应变满足分段单调递增关系，当等效塑性应变小于等于预设阈值时满足第一预设函数关系，当等效塑性应变大于所述预设阈值时满足第二预设函数关系；

34、以连续预设次数更新后全域平均陷阱密度变化小于预设比例且全域最大陷阱氢浓度变化小于预设比例作为收敛判据。

35、优选地，所述评估决策模块包括：

36、模拟单元，其用于采用所述加速模拟方法模拟未来充放氢循环下的损伤演化，所述加速模拟方法中应力应变循环按实际充放氢循环逐次加载，氢扩散过程按循环平均压力近似为准稳态扩散；

37、预测单元，其用于根据所述模拟单元的结果，由综合损伤指数的演化趋势预测所述剩余使用寿命，其中，为微观损伤指数，为氢脆损伤指数，所述氢脆损伤指数基于氢脆风险指数计算，和为权重系数；

38、决策单元，其用于预演包括立即更换、风险阈值触发更换和寿命末期更换在内的多种更换策略的总期望成本，选择总期望成本最低的策略作为所述最优更换决策。

39、优选地，所述微观损伤指数由计算，其中，为全域平均陷阱密度，为投运初期全域平均陷阱密度，为材料失效时全域平均陷阱密度；

40、所述氢脆损伤指数由计算，其中，为全域最大氢脆风险指数，为安全裕度，所述氢脆风险指数由计算，为陷阱氢浓度，为陷阱氢临界浓度；

41、所述总期望成本由计算，其中，为更换成本，为停机损失，为累积失效概率，为失效期望损失。

42、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

43、本发明采用固定电化学检测与具身智能体移动复检相结合的感知架构，实现罐体全域氢渗透状态的在线感知，弥补固定传感器空间覆盖范围有限的不足，利用突破时间与准稳态渗透通量联合反演，将传统仅能离线测定的材料内部陷阱密度转化为可在线获取的状态量，为氢致损伤评估提供定量输入，构建罐体数字孪生模型并以等效塑性应变场约束陷阱密度先验分布，经数据同化实现数字孪生体与物理实体的实时同步，输出全域可扩散氢浓度、陷阱氢浓度和陷阱密度的空间分布，采用加速模拟推演损伤演化并对比多种更换策略的总期望成本，为储氢瓶更换时机提供定量决策依据，降低运维成本与失效风险。