基于数字孪生的水下航行器建模方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于数字孪生的水下航行器建模方法及系统，涉及一种应用于水下航行器多学科超写实数值模拟的建模方法；包括水下航行器物理实体、检测系统、信息传输系统、水下航行器数字孪生模型、孪生模型应用系统，水下航行器数字孪生模型与水下航行器物理实体实时虚实映射可进行超写实的多学科协同仿真；孪生模型应用系统不仅可为水下航行器物理实体运行操作提供预测性指导，还可为水下航行器各比例模型仿真提供大量的可对标的超写实仿真模型数据库，保证水下航行器各工况、多学科数值模拟的准确性，提高水下航行器多学科设计优化的可信度，缩短开发周期，节约设计成本。节约设计成本。节约设计成本。

【技术实现步骤摘要】
基于数字孪生的水下航行器建模方法及系统


[0001]本专利技术属于数字孪生
，具体涉及一种基于数字孪生的水下航行器建模方法及系统。

技术介绍

[0002]数字孪生是采用机理模型、实时传感数据、运行历史数据、专家知识等信息，构建具有多学科、多尺度等耦合特性的实时“随动”的孪生模型，能够在虚拟空间中实现真实物理体形态与性能的精确模拟与映射；可以运用构建的孪生模型对真实物理体的镜像模拟、分析与优化调控，辅助真实物理体实现智能化、最优化操控与运行，实现真实物理体的最优输出表现，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。数字孪生技术在国外被视为未来国防顶尖技术之一，其在飞行器、运载火箭等飞行系统的故障预测和健康管理等方面发展迅速，各国的学者们也针对该技术在诸多领域进行了研究。
[0003]近年来，经济全球化、科技的迅猛发展以及国际形势面临的各种新的挑战使得人们的海洋意识进一步觉醒，海洋的经济价值和战略地位也今非昔比。我国是一个海洋大国，拥有漫长的海岸线和丰富的海洋资源，而水下航行器在海洋资源勘探、开发和保卫我国海洋权益方面发挥着不可替代的作用。水下航行器的水动力性能、螺旋桨动力推进性能、结构力学性能、声隐身性能、运动控制能力是其重要的性能指标。然而，由于实验条件的限制，现有资料大多采用仿真手段对水下航行器进行研究，其中，不少学者仅针对水下航行器单项性能指标进行研究，没有考虑其他性能指标之间的相互影响。也有少数学者针对水下航行器进行了多学科、多目标问题的研究，但他们大多仅针对某一工况的少数学科进行研究，而且他们也忽略了水下航行器在运动时其周围的海洋环境是实时变化的这一条件，各边界条件如海水流速、流向、密度、温度等会随着水下航行器工作条件的变化而改变，故而不能实时反应水下航行器真实的、动态的多工况的工作状态。不能实时掌握水下航行器各项性能指标，也不能预测和优化其多工况的相关指标和参数。其次，目前缺乏可靠性好、可信度高、超写实的有关水下航行器多工况、多学科协同仿真的可对标的数据库，限制了水下航行器多学科高保真设计优化的发展。

技术实现思路

[0004]为了解决以上技术问题，本专利技术提出一种基于数字孪生的水下航行器建模方法及系统，通过数字孪生技术使得水下航行器物理实体与水下航行器数字孪生模型实时映射，使得水下航行器多学科协同仿真模型可以实时反应水下航行器物理实体的工作状态。孪生模型应用系统的孪生数据库不仅可为水下航行器物理实体运行操作提供指导还可为水下航行器设计优化提供超写实的可对标的多学科协同仿真模型数据库，从而能够提高水下航行器设计优化的准确性和效率。
[0005]为实现本专利技术的目的，本专利技术提供了基于数字孪生的水下航行器建模方法及系
统，由水下航行器物理实体、检测系统、信息传输系统、水下航行器数字孪生模型、孪生模型应用系统组成；其中，所述水下航行器数字孪生模型至少包括水动力数字孪生子模型、螺旋桨动力推进数字孪生子模型、结构性能数字孪生子模型、噪声辐射数字孪生子模型以及运动性能数字孪生子模型多个多学科数字孪生子模型，并通过所述检测系统和所述信息传输系统与所述水下航行器物理实体之间实时虚实映射；所述水动力数字孪生子模型、螺旋桨动力推进数字孪生子模型、结构性能数字孪生子模型、噪声辐射数字孪生子模型以及运动性能数字孪生子模型多个多学科数字孪生子模型集成于多学科仿真集成与优化设计软件平台可实现所述水下航行器数字孪生模型协同仿真的高保真性和多学科多目标优化的功能；所述水下航行器数字孪生模型的仿真过程和结果、所述检测系统采集到的所述水下航行器物理实体实际工作时的实时物理检测数据与历史运行数据共同构成所述孪生模型应用系统的孪生数据库，所述孪生模型应用系统的孪生数据库经过数据分析与处理可为所述水下航行器物理实体运行操作提供预测性指导，并可为水下航行器各比例模型仿真提供大量的可对标的超写实仿真模型数据库，保证所述水下航行器各工况、多学科数值模拟的准确性，提高所述水下航行器设计优化的可信度；具体包括如下步骤：
[0006]S1、根据所述水下航行器物理实体的物理特征与环境工况构建水下航行器数字孪生子模型；
[0007]S2、基于S1中建立的所述水下航行器数字孪生子模型分别同时对包括但不限于水下航行器水动力、螺旋桨动力推进、结构性能、噪声辐射、运动性能进行仿真；
[0008]S3、所述检测系统实时采集所述水下航行器物理实体实际工作时的包括但不限于水动力、螺旋桨动力推进、结构性能、噪声辐射、运动性能的实时物理检测数据和S1中所述的环境工况，所述水下航行器物理实体的所述环境工况通过所述信息传输系统与所述水下航行器数字孪生子模型之间建立通讯协议并将所述环境工况实时传输给所述水下航行器数字孪生子模型，所述实时物理检测数据经过处理后分别与S2中所述水下航行器数字孪生子模型对应的仿真结果实时进行对比以修正所述水下航行器数字孪生子模型；
[0009]S4、将S3中实时修正的所述水下航行器数字孪生子模型集成于所述多学科仿真集成与优化设计软件平台，通过所述检测系统和所述信息传输系统搭建与所述水下航行器物理实体实时映射修正的所述水下航行器数字孪生模型，并进行高保真的多学科协同仿真；
[0010]S5、基于S4中所述水下航行器数字孪生模型高保真的多学科协同仿真的过程与结果以及所述检测系统实时采集到的所述水下航行器物理实体实际工作时的所述实时物理检测数据和历史运行数据组建所述孪生模型应用系统的孪生数据库；
[0011]S6、对S5中建立的所述孪生模型应用系统的孪生数据库中的数据进行智能数据分析与处理，为所述水下航行器物理实体实际运行和操作提供预测性指导；
[0012]S7、基于S5中所述孪生模型应用系统的孪生数据库中的数据，根据实际需要搭建不同比例的高保真的所述包括但不限于水下航行器水动力、螺旋桨动力推进、结构性能、噪声辐射、运动性能的多学科协同仿真模型；
[0013]S8、对S7中所述搭建不同比例的高保真的所述包括但不限于水下航行器水动力、螺旋桨动力推进、结构性能、噪声辐射、运动性能的多学科协同仿真模型根据目标需要进行多学科多目标协同仿真优化。
[0014]S1中所述的水下航行器物理实体的物理特征至少包括所述水下航行器物理实体
的几何结构参数、质量属性、电气控制系统结构、材料特性以及各部件及其之间的连接关系，所述各部件至少包括水下航行器机壳、螺旋桨推进系统、控制系统，所述几何结构参数、质量属性、电气控制系统结构、材料特性以及各部件及其之间的连接关系从所述水下航行器物理实体CAD图纸、电气控制图以及材料数据库中获取，所述几何结构参数至少包括所述水下航行器物理实体的参考面积、螺旋桨直径，所述质量属性至少包括所述水下航行器物理实体各部件以及所述水下航行器物理实体整体的质量、质心、转动惯量。
[0015]S1中所述的水下航行器物理实体的环境工况由所述检测系统中的传感器实时测得，至少包括所述水下航行器物理实体周围相对于所述水本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于数字孪生的水下航行器建模方法及系统，其特征在于，由水下航行器物理实体、检测系统、信息传输系统、水下航行器数字孪生模型、孪生模型应用系统组成；其中，所述水下航行器数字孪生模型包括水动力数字孪生子模型、螺旋桨动力推进数字孪生子模型、结构性能数字孪生子模型、噪声辐射数字孪生子模型以及运动性能数字孪生子模型多个多学科数字孪生子模型，并通过所述检测系统和所述信息传输系统与所述水下航行器物理实体之间实时虚实映射；所述水动力数字孪生子模型、螺旋桨动力推进数字孪生子模型、结构性能数字孪生子模型、噪声辐射数字孪生子模型以及运动性能数字孪生子模型多个多学科数字孪生子模型集成于多学科仿真集成与优化设计软件平台可实现所述水下航行器数字孪生模型协同仿真的高保真性和多学科多目标优化的功能；所述水下航行器数字孪生模型的仿真过程和结果、所述检测系统采集到的所述水下航行器物理实体实际工作时的实时物理检测数据与历史运行数据共同构成所述孪生模型应用系统的孪生数据库，所述孪生模型应用系统的孪生数据库经过数据分析与处理可为所述水下航行器物理实体运行操作提供预测性指导，并可为水下航行器各比例模型仿真提供大量的可对标的超写实仿真模型数据库；具体包括如下步骤：S1、根据所述水下航行器物理实体的物理特征与环境工况构建水下航行器数字孪生子模型；S2、基于S1中建立的所述水下航行器数字孪生子模型分别同时对水动力、螺旋桨动力推进、结构性能、噪声辐射、运动性能进行仿真；S3、所述检测系统实时采集所述水下航行器物理实体实际工作时的水动力、螺旋桨动力推进、结构性能、噪声辐射、运动性能的实时物理检测数据和S1中所述的环境工况，所述水下航行器物理实体的所述环境工况通过所述信息传输系统与所述水下航行器数字孪生子模型之间建立通讯协议并将所述环境工况实时传输给所述水下航行器数字孪生子模型，所述实时物理检测数据经过处理后分别与S2中所述水下航行器数字孪生子模型对应的仿真结果实时进行对比以修正所述水下航行器数字孪生子模型；S4、将S3中实时修正的所述水下航行器数字孪生子模型集成于所述多学科仿真集成与优化设计软件平台，搭建与所述水下航行器物理实体实时映射修正的所述水下航行器数字孪生模型，并进行高保真的多学科协同仿真；S5、基于S4中所述水下航行器数字孪生模型高保真的多学科协同仿真的过程与结果以及所述检测系统实时采集到的所述水下航行器物理实体实际工作时的所述实时物理检测数据和历史运行数据组建所述孪生模型应用系统的孪生数据库；S6、对S5中建立的所述孪生模型应用系统的孪生数据库中的数据进行智能数据分析与处理，为所述水下航行器物理实体实际运行和操作提供预测性指导；S7、基于S5中所述孪生模型应用系统的孪生数据库中的数据，根据实际需要搭建不同比例的高保真的包括所述水下航行器水动力、螺旋桨动力推进、结构性能、噪声辐射、运动性能的多学科协同仿真模型；S8、对S7中所述搭建不同比例的高保真的包括所述水下航行器水动力、螺旋桨动力推进、结构性能、噪声辐射、运动性能的多学科协同仿真模型根据目标需要进行多学科多目标协同仿真优化。2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的水下航行器建模方法及系统，其特征在于，S1
中所述的水下航行器物理实体的物理特征包括所述水下航行器物理实体的几何结构参数、质量属性、电气控制系统结构、材料特性以及各部件及其之间的连接关系，所述各部件包括水下航行器机壳、螺旋桨推进系统、控制系统，所述几何结构参数、质量属性、电气控制系统结构、材料特性以及各部件及其之间的连接关系从所述水下航行器物理实体CAD图纸、电气控制图以及材料数据库中获取，所述几何结构参数包括所述水下航行器物理实体的参考面积、螺旋桨直径，所述质量属性包括所述水下航行器物理实体各部件以及所述水下航行器物理实体整体的质量、质心、转动惯量。3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的水下航行器建模方法及系统，其特征在于，S1中所述的水下航行器物理实体的环境工况由所述检测系统中的传感器实时测得，包括所述水下航行器物理实体周围相对于所述水下航行器物理实体的水的流速、进入螺旋桨的水的流速、水的流向、水的温度、水的密度、水压、所述水下航行器物理实体所处的深度、所述水下航行器物理实体螺旋桨转速、所述水下航行器物理实体运动时的速度、角速度、加速度与角加速度。4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的水下航行器建模方法及系统，其特征在于，S1中所述的构建水下航行器数字孪生子模型的方法和步骤如下：S11、通过数字化三维软件Catia建立与所述水下航行器物理实体一致的三维数字化模型；S12、根据S11中建立的所述三维数字化模型，利用有限元软件ANSYS建立包括所述水下航行器机壳和所述螺旋桨推进系统的水动力计算流体力学模型、包括所述螺旋桨推进系统的螺旋桨动力推进的计算流体力学模型、反应所述水下航行器机壳和所述螺旋桨推进系统结构性能的结构响应模型，利用声学模拟软件LMS virtual.Lab建立包括所述水下航行器机壳和所述螺旋桨推进系统的考虑流
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固
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声耦合的噪声辐射模型，利用动态系统建模和仿真工具MATLAB Simulink建立与所述水下航行器物理实体一致的可模拟所述水下航行器物理实体运动控制性能的控制系统模型；S13、将S1中所述水下航行器物理实体实时的所述环境工况作为边界条件加载到S12中建立的所述包括所述水下航行器机壳和所述螺旋桨推进系统的水动力计算流体力学模型、包括所述螺...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志君，王麒淦，江涛，张大彬，孟凡硕，李良玉，靳淮智，王颖林，孙霁宇，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：