基于数字孪生的泵水力和结构协同优化设计系统与方法

1.本发明属于泵技术领域，特别是涉及基于数字孪生的泵水力和结构协同优化设计系统与方法。


背景技术：

2.水泵是我国工业领域最主要的耗电设备之一，用量大，涉及面广，被广泛应用于农田排灌、石油化工、动力工业、城市给排水等领域，其耗电量约占总发电量的20％。目前，我国泵类产品性能与世界先进国家相比还有相当大的差距，研究探讨水泵的节能途径与措施，提高水泵的效率及其泵系统的运行效率，延长泵的运行寿命，降低能耗，对我国的节能减排工作具有重要意义。因此，国内外学者对泵的优化设计展开了大量的研究，但可以发现泵性能设计优化和结构稳定性研究往往是独立的，水力设计仅针对水泵的运行效率，结构设计侧重于水泵运行稳定性，忽略水力设计与结构设计的内在关联是造成优化设计不彻底；另外，由于水泵结构复杂，泵水力和结构设计的数值仿真侧重于使用简化模型，未考虑水泵的各种损失泄露与实时运行状态。因此，泵的设计应朝着更加全面与真实的方向发展。


技术实现要素：

3.为了克服现有模型未考虑水泵的各种损失泄露与实时运行状态的问题，本发明提出基于数字孪生的泵水力和结构协同优化设计系统与方法，本发明通过融合水力和结构计算模型的内在关系，实时模拟泵的行为，准确预测泵性能参数，实现了泵水力模型的优化。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：基于数字孪生的泵水力和结构协同优化设计系统，包括：
5.计算模型建立模块，用于建立泵数字孪生计算模型；
6.试验测试平台建立模块，用于建立泵数字孪生试验测试平台；
7.数字孪生模型建立模块，用于通过所述泵数字孪生计算模型、泵数字孪生试验测试平台，构建数字孪生模型；
8.机器算法建立模块，用于根据所述数字孪生模型构建机器算法模型，所述机器算法模型用于计算多目标优化结果；
9.协同设计模型建立模块，用于根据所述数字孪生模型和多目标优化结果构建协同设计模型，所述协同设计模型用于对泵水力和结构协同优化。
10.优选地，所述计算模型建立模块包括，
11.流体计算模型建立模块，用于构建泵数字孪生流体计算模型；
12.结构计算模型建立模块，用于根据所述泵数字孪生流体计算模型，构建泵数字孪生结构计算模型；
13.转子系统计算模型建立模块，用于根据所述泵数字孪生流体计算模型、泵数字孪生结构计算模型，构建泵数字孪生转子系统计算模型。
14.优选地，所述流体计算模型建立模块包括：
15.第一几何模型建立单元，用于根据泵物理实体的几何参数建立泵的第一几何模型；
16.第一网格划分建立单元，用于建立第一网格划分模块，所述第一网格划分模块用于分区处理并确定网格单元类型，对计算域进行网格划分；
17.流体数值模拟获取单元，用于根据泵网格划分结果，对泵内部的流场进行数值模拟，获取流体数值模拟结果；
18.流体计算模型建立模块，用于通过所述流体数值模拟结果建立泵数字孪生流体计算模型。
19.优选地，所述结构计算模型建立模块包括：
20.第二几何模型建立单元，用于根据流体计算模型，导入第一几何模型，建立泵的第二几何模型；
21.第二网格划分建立单元，用于根据第一网格划分模块，导入需要分析部件的网格划分；
22.结构数值模拟获取单元，用于根据网格划分进行结构仿真计算，得到结构数据；
23.结构计算模型建立单元，用于根据所述结构数据建立泵数字孪生结构计算模型。
24.优选地，所述转子系统计算模型建立模块，具体包括：
25.转子系统建立单元，用于根据泵转子系统几何参数，建立转子系统三维模型；
26.材料属性建立单元，用于根据模型的尺寸添加材料并设置材料属性的单位，建立材料属性；
27.网格划分建立单元，用于根据网格划分软件，选取转子系统模型的单元并划分网格；
28.固有频率计算建立单元，用于根据流固耦合计算的结构，计算转子系统固有频率；
29.静力分析建立单元，用于通过有限元软件对转子部件进行静力分析；
30.临界转速建立单元，用于通过转子部件的离散方法，计算临界转速；
31.转子系统计算模型建立单元，用于根据所述泵数字孪生流体计算模型、泵数字孪生结构计算模型，结合所述转子系统三维模型、网格划分、固有频率、静力分析、临界转速，建立泵数字孪生转子系统计算模型。
32.优选地，所述试验测试平台建立模块，包括：
33.试验平台搭建单元，搭建泵开式试验平台；
34.数据采集平台搭建单元，基于软件编写图形化语言程序，搭建数据采集平台；
35.试验测试平台建立单元，用于根据所述试验平台、所述数据采集平台，建立泵数字孪生试验测试平台。
36.本技术还提供基于数字孪生的泵水力和结构协同优化设计方法，包括以下步骤：
37.构建泵数字孪生流体计算模型；
38.根据所述泵数字孪生流体计算模型，构建泵数字孪生结构计算模型；
39.根据所述泵数字孪生流体计算模型、泵数字孪生结构计算模型，构建泵数字孪生转子系统计算模型；
40.建立泵数字孪生试验测试平台；
41.通过所述泵数字孪生计算模型、泵数字孪生试验测试平台，构建数字孪生模型；
42.根据所述数字孪生模型构建机器算法模型，所述机器算法模型用于计算多目标优化结果；
43.根据所述数字孪生模型和多目标优化结果构建协同设计模型，所述协同设计模型用于对泵水力和结构协同优化。
44.优选地，建立泵数字孪生流体计算模型的方法包括：
45.根据泵物理实体的几何参数建立泵的第一几何模型；
46.建立第一网格划分模块，所述第一网格划分模块用于分区处理并确定网格单元类型，对计算域进行网格划分；
47.根据泵网格划分结果，对泵内部的流场进行数值模拟，获取流体数值模拟结果；
48.通过所述流体数值模拟结果建立泵数字孪生流体计算模型。
49.优选地，建立泵数字孪生结构计算模型的方法包括：
50.根据流体计算模型，导入第一几何模型，建立泵的第二几何模型；
51.根据第一网格划分模块，导入需要分析部件的网格划分；
52.根据网格划分进行结构仿真计算，得到结构数据；
53.根据所述结构数据建立泵数字孪生结构计算模型。
54.优选地，建立泵数字孪生转子系统计算模型的方法包括：
55.根据泵转子系统几何参数，建立转子系统三维模型；
56.根据模型的尺寸添加材料并设置材料属性的单位，建立材料属性；
57.根据网格划分软件，选取转子系统模型的单元并划分网格；
58.根据流固耦合计算的结构，计算转子系统固有频率；
59.通过有限元软件对转子部件进行静力分析；
60.通过转子部件的离散方法，计算临界转速；
61.根据所述泵数字孪生流体计算模型、泵数字孪生结构计算模型，结合所述转子系统三维模型、网格划分、固有频率、静力分析、临界转速，建立泵数字孪生转子系统计算模型。
62.优选地，建立泵数字孪生试验测试计算模型，包括：
63.搭建泵开式试验平台；
64.基于软件编写泵测量的图形化语言程序，搭建数据采集平台；
65.根据所述试验平台、所述数据采集平台两部分，建立泵数字孪生试验测试采集平台。
66.本发明公开了以下技术效果：
67.本发明通过数字孪生技术构建高精度泵数字孪生体模型，融合水力和结构计算模型的内在关系，实时模拟泵的行为，准确预测泵性能参数，为分析泵的设计变量与优化目标的关系提供准确的数据支撑，实现泵水力模型的优化，达到高效与高稳定性的目标。
附图说明
68.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获
得其他的附图。
69.图1为本发明实施例的基于数字孪生的泵水力和结构协同优化设计系统示意图；
70.图2为本发明实施例的泵数字孪生模型构建流程图；
71.图3为本发明实施例的泵数字孪生流体计算模型构建流程图；
72.图4为本发明实施例的泵数字孪生结构计算模型构建流程图；
73.图5为本发明实施例的泵数字孪生转子系统计算模型构建流程图；
74.图6为本发明实施例的泵多目标优化方法流程图；
75.图7为本发明实施例的泵水力和结构协同设计方法流程图；
76.图8为本发明实施例的基于数字孪生的泵水力和结构协同优化设计方法流程图。
具体实施方式
77.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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
78.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
79.如图1所示，本实施例提供一种基于数字孪生的泵水力和结构协同优化设计系统，包括：
80.流体计算模型建立模块，用于建立泵数字孪生流体计算模型；
81.结构计算模型建立模块，用于根据所述泵数字孪生流体计算模型，建立泵数字孪生结构计算模型；
82.转子系统计算模型建立模块，用于根据所述泵数字孪生流体计算模型、泵数字孪生结构计算模型，建立泵数字孪生转子系统计算模型；
83.试验测试建立模块，用于建立泵数字孪生试验测试平台；
84.数字孪生模型建立模块，用于根据所述泵数字孪生流体计算模型、所述泵数字孪生结构计算模型、所述泵数字孪生转子系统计算模型和所述泵数字孪生试验测试平台，确定数字孪生模型；
85.机器算法模块，用于根据所述数字孪生模型，提出高精度数学模型及多目标优化方法，计算多目标优化结果；
86.相关性分析模块，用于根据所述数字孪生模型、机器算法模块，揭示多变量相关性对动力学特性的影响规律，建立水力和结构协同设计方法。
87.进一步地优化方案，流体计算模型建立模块，具体包括：
88.几何模型建立单元，用于根据泵物理实体的几何参数进行3d建模，建立泵的几何模型；
89.网格划分建立单元，用于根据泵的几何模型，用于根据泵的全流道复杂结构，进行分区处理并确定拟采用的网格单元类型，对计算域进行网格划分；
90.流体数值模拟获取单元，用于根据泵网格划分，设置边界条件、湍流模型、压力与速度的耦合方式、离散格式等选项进行设置对泵内部的流场进行数值模拟，获取流体数值
模拟结果；
91.流体计算模型建立模块，用于根据所述几何模型、所述网格划分、所述流体数值模拟，用于建立泵数字孪生流体计算模型。
92.进一步地优化方案，泵数字孪生结构计算模型，具体包括：
93.几何模型建立单元，用于根据流体计算模型，导入几何模型，建立泵的几何模型；
94.网格划分建立单元，用于根据流体计算模型中的网格划分模块，导入需要分析部件的网格划分；
95.结构数值模拟获取单元，用于根据流固耦合技术的选择，并定义流固作用面，通过施加约束和荷载进行结构仿真计算；
96.结构计算模型建立单元，用于根据所述泵数字孪生流体计算模型，通过几何模型、所述网格划分、所述结构数值模拟，建立泵数字孪生结构计算模型。
97.进一步地优化方案，转子系统计算模型建立模块，具体包括：
98.转子系统建立单元，用于根据泵转子系统几何参数，建立转子系统三维模型；
99.材料属性建立单元，用于根据模型的尺寸添加材料并设置材料属性的单位，建立材料属性；
100.网格划分建立单元，用于根据网格划分软件，选取转子系统模型的单元并划分转系统的网格；
101.固有频率计算建立单元，用于根据流固耦合计算的结构，选择分析类型，设置分析选项，计算转子系统固有频率分析；
102.静力分析建立单元，用于根据有限元软件对转子部件在同时承受自重和流固耦合作用力进行了静力分析；
103.临界转速建立单元，用于根据转子部件的离散方法，考虑流固耦合作用以及叶轮口环处的间隙所产生的影响，采用结构力学分析模块计算临界转速。
104.转子系统计算模型建立单元，用于根据所述泵数字孪生流体计算模型、泵数字孪生结构计算模型，通过转子系统三维模型、所述网格划分、所述固有频率、所述静力分析、所述临界转速，建立泵数字孪生转子系统计算模型。
105.进一步地优化方案，试验测试平台建立模块，具体包括：
106.试验平台搭建单元，搭建泵开式试验平台；
107.数据采集平台搭建单元，基于软件编写图形化语言程序，搭建数据采集平台；
108.试验测试平台建立单元，用于根据所述试验平台、所述数据采集平台，建立泵数字孪生试验测试平台。
109.如图2所示，本实施例还为本发明提供了一种基于数字孪生的泵水力和结构协同优化设计方法，包括如下步骤：
110.步骤1：建立泵数字孪生流体计算模型，如图3所示，具体包括：
111.搜集资料阶段，对研究的泵进行物理参数的分析，结合厂家的生产信息对水力参数进行记录，物理参数如叶轮进出口角，叶片数，进口与出口管径等，水力参数如流量、扬程、效率等。
112.(2)几何建模阶段，按照水泵二维水力图根据实际情况进行编辑，导入3d软件对泵进行建模，建模软件可使用creo、ug、spaceclaim等，考虑泵前后腔、口环间隙和泄漏损失，
对泵全流道流体域进行三维建模。
113.(3)流体网格划分阶段，定义泵的界面，如进口、出口、壁面、叶片等，使用画网格软件对计算域精确划分网格，合理划分边界层网格，若为了精准度较高，则采用非结构化网格，软件可使用icem cfd、fluent、spaceclaim等。
114.(4)流体数值模拟阶段，计算域的进出口边界条件由试验测量结果提供，采用压力传感器分别测量进出口动态压力相关数据。
115.步骤2：建立泵数字孪生结构计算模型，如图4所示，具体包括：
116.搜集资料阶段，对研究的泵进行物理参数的分析，结合厂家的生产信息对结构参数进行记录，物理参数如叶轮进出口角，叶片数，进口与出口管径等以及力学性能参数；
117.几何建模阶段，按照水泵二维工程图根据实际情况进行编辑，导入3d软件对泵进行建模，建模软件可使用creo、ug、spaceclaim等，对泵固体结构区域进行三维建模；
118.固体网格划分阶段，根据泵复杂的固体结构，选择网格类型并进行划分，网格划分软件可使用ansys workbench；
119.结构数值模拟阶段，根据流固耦合方法的选择，基于在fluent的全流道流场计算，固体结构区域在workbench中进行静力结构分析，通过流固耦合技术实现流提与固体的分析数据进行互相传递，通过结构动力学分析固体结构的变形响应和应力分布；
120.步骤3：建立泵数字孪生转子系统计算模型，如图5所示，具体包括：
121.搜集资料阶段，根据泵数字孪生固体计算模型中的搜集资料；
122.几何建模阶段，根据泵转子系统几何参数，建立转子系统实体模型，转子部件主要由叶轮、联轴器、轴承、支承结构等组成，建模软件可使用creo、ug、spaceclaim等；
123.材料属性阶段，由于软件没有默认的单位设置，在输入材料属性时要特别注意单位问题，要统一使用单位，否则最后的计算结果会出现错误，因此根据模型的尺寸添加材料并设置材料属性的单位，建立材料属性；
124.网格划分阶段，根据网格划分软件，选取转子系统模型单元并划分转子部件的网格，在ansys中适合分析此模型的单元有：solid45、solid95、solid186；
125.固有频率阶段，选择分析类型为模态分析，设置分析选项。ansys中提供了block lanczos、powerdynamics、subspace、reduced等7种模态提取的方法，计算转子系统固有频率；
126.临界转速阶段，根据选择转子部件的离散方法，根据流固耦合作用，此处的流固耦合不但考虑流体力对转子部件的作用力，同时计入转子部件的变形对流体的反作用力，并且考虑支承刚度、转速、陀螺力矩、叶轮口环处的间隙的影响，采用结构力学分析模块计算临界转速；
127.步骤4：建立泵数字孪生试验测试平台，具体包括：
128.试验平台建立阶段，搭建泵开式试验台，包括泵、电机、压力传感器、阀门、流量计、扭矩仪等设备，压力传感器用来测量泵进出口的压力、电机用来驱动泵的运转、阀门用来控制开启度，流量计用来测量液体流量、扭矩仪用来测量泵的扭矩。
129.数据采集平台建立阶段，基于labview软件编写泵水力特性和结构特性同步测量的图形化语言程序，采用daqmx程序获取流量传感器、压力传感器和扭矩仪等传感设备输出的电信号数值。采用动态信号测试分析系统、加速度传感器和力锤激励系统开展泵模态实
验，获得泵固有动态特性，可与转子系统数字孪生计算模型中的固有频率进行比较，用于修正泵数字孪生转子系统计算模型，进一步精确数字孪生模型。
130.步骤5：根据如图6所示的数字孪生模型，提出如图7所示的高精度数学模型及多目标优化方法，计算多目标优化结果，具体包括：
131.机器算法库建立阶段，机器算法库有机器学习与多目标优化算法组成。由于机器学习对系统工作时产生的数据进行学习，从而获得与系统状态相关的特征，实现从数据到系统状态的映射。由于泵工作环境变化复杂，泵的运转过程是一个非线性、非高斯特征的退化过程，泵的性能目标与设计变量密切相关，因此，构建泵的性能目标与设计变量的非线性关系式尤为重要。同时，在构建非线性关系式的基础上，利用多目标优化算法对其进行优化，得到工作性能的最优，达到高效与高稳定性的目标。
132.目标与设计变量选择阶段，首先要把影响泵的性能状态的水力和结构参数列出来，接着列出表征水泵性能的目标变量，由于优化设计涉及到流体计算模型、结构计算模型、转子系统计算模型，因此设计变量与优化目标需要涉及上述模型。因此选择水力及结构几何参数为设计变量，包括口环间隙宽度、口环长度、叶轮出口宽度、叶轮叶片出口安放角、导叶进口直径、导叶叶片进口安放角、导叶轴向长度、级间间隙宽度、级间间隙宽度、平衡鼓间隙宽度等，泵效率、压力脉动和临界转速等为优化目标，采用拉丁方试验设计对水力和结构参数在设计空间抽取样本点，通过机器学习进行非线性关系式的构建，应用多目标优化算法对关系式优化，获得泵动力学帕累托前沿。根据帕累托前沿，可以得到一系列的组合，对各设计方案进行加工，在泵试验台上验证方案的可行性。
133.编程调用阶段，采用labview软件搭建用户界面，应用python语言编写泵优化程序，通过labview内置python节点调用python程序，通过python编写调用bladegen造型、creo软件和workbench模拟软件的接口程序，实现拉丁方试验设计多方案实时调用流体、结构和转子系统动力学求解器，实现泵三维设计和数字孪生数值模拟的自动化运行。
134.步骤:6：根据所述数字孪生模型、机器算法模块，揭示多变量相关性对动力学特性的影响规律，建立如图8所示的水力和结构协同设计方法，具体包括：
135.搜集数据阶段，根据机器学习模块得到的帕累托前沿并进行试验验证，能够得到一系列设计变量与优化目标的组合；
136.回归方程设定阶段，根据自变量和因变量之间的关系，选择适当的数学模型，建立回归方程。
137.回归系数确定阶段，将已知数据代入到设定的回归方程中，并用最小二乘法原则计算出回归系数，确定回归方程；
138.相关性检验阶段，根据回归方程的确定，通过对单个设计变量的变化，其余设计变量不变的情况下，得到优化目标的变化，通过对优化目标影响程度的分析，采用皮尔森相关系数衡量多变量间线性关联性程度，有利于检验设计变量的变化趋势对水力和结构协同优化中优化目标的影响。
139.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。