(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202110528862.1 (22)申请日 2021.05.14 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 113221280 A (43)申请公布日 2021.08.0 6 (73)专利权人 西安交通大 学 地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号 (72)发明人 曹宏瑞　彭城　陈雪峰　 (74)专利代理 机构 西安通大专利代理有限责任 公司 6120 0 专利代理师 高博 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/27(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06N 20/00(2019.01) G06F 113/08(2020.01)G06F 119/08(2020.01) G06F 119/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (56)对比文件 CN 110532625 A,2019.12.0 3 CN 112487584 A,2021.0 3.12 CN 110530638 A,2019.12.0 3 WO 20201595 64 A1,2020.08.0 6 徐凯.孪生支持向量机在滚动轴承 振动故障 诊断中的应用. 《煤矿机 械》 .2016,(第04期), 李福兴等.基 于数字孪生的船舶预测性维 护. 《船舶工程》 .2020, Zhifeng L iu等.Data Super-Netw ork Fault Predicti on Model and Mai ntenance Strategy for Mec hanical Product Based o n Digital Tw in. 《IEEE Access》 .2019,第7 卷 审查员 陈硕 (54)发明名称 一种基于数字孪生的滚动轴承建模与模型 更新方法及系统 (57)摘要 本发明公开了一种基于数字孪生的滚动轴 承建模与模 型更新方法及系统， 利用传感器实时 监测滚动轴承的运行数据并对运行数据进行预 处理； 进行耦合建模 得到动态更新的数字孪生模 型； 将归一化处理后的运行数据实时输入到数字 孪生模型中， 然后利用数字孪生模 型对滚动轴承 的输出数据进行仿真计算， 将数字孪生模型的仿 真数据与对应时间间隔内的运行数据进行比较， 若残差序列为零均值的白噪声， 则采信对应的滚 动轴承数字孪生模型； 否则根据准则函数对滚动 轴承数字孪生模 型的参数进行调整和修正， 获得 实时同步的滚动轴承数字孪生模 型。 本发明能够 反映轴承健康状态的时间历程， 为滚动轴承的故 障诊断和寿 命预测提供基础。 权利要求书2页 说明书8页 附图2页 CN 113221280 B 2022.12.09 CN 113221280 B 1.一种基于数字 孪生的滚动轴承建模与模型 更新方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1， 获取滚动轴承的几何特 征、 材料参数、 安装方式及润滑方式； S2， 利用传感器实时监测滚动轴承的运行数据， 然后对监测的运行数据进行预处理， 对 预处理后的数据进行最大值归一 化处理； S3， 依据步骤S1中滚动轴承 的几何特征、 材料参数、 安装方式及润滑方式， 建立刚体动 力学子模型、 润滑牵引子模型、 热力学模型和流体动力学子模型； S4， 对步骤S3建立的刚体动力学子模型、 润滑牵引子模型、 热力学模型和流体动力学子 模型进行耦合建模， 建立动态更新的数字 孪生模型； S5， 将步骤S2归一化处理后的运行数据实时输入到步骤S4的数字孪生模型中， 然后利 用数字孪生模型对滚动轴承的输出数据进 行仿真计算， 得到滚动轴承数字孪生模型的仿真 数据； S6， 将步骤S5数字孪生模型的仿真数据与对应时间间隔内的运行数据进行比较， 验证 数字孪生模型 的准度， 若残差序列为零均值的白噪声， 则采信对应的滚动轴承数字孪生模 型； 否则根据准则函数对滚动轴承数字孪生模型 的参数进行调整和修正， 获得实时同步的 滚动轴承数字 孪生模型。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 步骤S1中， 滚动轴承的几何特征包括轴承 元件的几何尺寸、 形位 公差及表面质量， 材料参数包括材料密度及弹性模量， 润滑方式包括 润滑剂密度及粘度。 3.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 步骤S2中， 运行数据包括滚动轴承的套圈 转速、 振动信号、 外 部载荷、 环境温度、 轴承温度以及供油流 量。 4.根据权利要求3所述的方法， 其特 征在于， 预处 理包括消除时延及噪声误差 。 5.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 步骤S3中， 刚体动力学子模型和热力学子 模型运用Fortran语 言编写数值计算程序， 刚体动力学子模 型包括几何参数和材料参数， 热 力学子模型包括热力学参数； 润滑牵引子模型运用Matlab语言根据运行数据进行参数建 模， 包括润滑剂参数； 流体动力学子模型根据运行数据采用机器学习算法建立模型结构和 参数。 6.根据权利要求5所述的方法， 其特征在于， 采用最大似然估计法确定润滑牵引模型及 热力学模型中的参数。 7.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 步骤S4 中， 采用Fortran语言和Matlab语言 混合编程进行耦合建模， 建立动态更新的数字 孪生模型， 耦合方程表示 为： f(L(xi),L(xj),t)＝0， i≠j 其中， L表示微分算子， xi和xj分别表示子模型对应的物理变量， t为时间； i和j取1,2,3 和4， 分别代 表刚体动力学子模型、 润滑牵引子模型、 热力学模型和流体动力学子模型。 8.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 步骤S5中， 输入数据包括套圈转速、 外部载 荷、 环境温度和供油流 量； 输出数据包括振动信号和轴承温度。 9.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 步骤S6中， 准则函数为最大似然准则， 修正 方法包括子模型准则函数和参数优化 算法的修 正。 10.一种基于数字 孪生的滚动轴承建模与模型 更新系统， 其特 征在于， 包括： 采集模块， 获取滚动轴承的几何特 征、 材料参数、 安装方式及润滑方式；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 113221280 B 2预处理模块， 利用 传感器实时监测滚动轴承的运行数据， 然后对监测的运行数据进行 预处理， 对预处 理后的数据进行最大值归一 化处理； 建模模块， 依据采集模块中滚动轴承的几何特征、 材料参数、 安装方式及润滑方式， 建 立刚体动力学子模型、 润滑牵引子模型、 热力学模型和流体动力学子模型； 耦合模块， 对建模模块建立的刚体动力学子模型、 润滑牵引子模型、 热力学模型和流体 动力学子模型进行耦合建模， 建立动态更新的数字 孪生模型； 仿真模块， 将预处理模块归一化处理后的运行数据实时输入到耦合模块的数字孪生模 型中， 然后利用数字孪生模型对滚动轴承的输出数据进行仿真计算， 得到滚动轴承数字孪 生模型的仿真数据； 更新模块， 将仿真模块数字孪生模型的仿真数据与对应时间间隔内的运行数据进行比 较， 验证数字孪生模 型的准度， 若残差序列为零均值的白噪声， 则采信对应的滚动轴承数字 孪生模型； 否则根据准则函数对滚动轴承数字孪生模型 的参数进行调整和修正， 获得实时 同步的滚动轴承数字 孪生模型。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 113221280 B 3