基于数字孪生的航空发动机主轴轴承全生命周期分析方法技术

本发明专利技术所述的是一种基于数字孪生的航空发动机主轴轴承全生命周期分析方法，包括四大步骤：步骤1，建立数字孪生车间，在数字孪生车间的基础上建立基于数字孪生的航空发动机主轴轴承的制造工艺。步骤2，建立航空发动机主轴轴承数字孪生模型，依据多参数数据实时监测或模拟仿真主轴轴承的运动状态。步骤3，提取待分析的振动信号，降噪处理后输入训练完成的人工神经网络，智能识别主轴轴承的故障类型。步骤4，仿真航空发动机主轴轴承加速疲劳寿命试验，对试验结果进行寿命分析，制定主轴轴承的维护策略。本发明专利技术通过将基于数字孪生的航空发动机主轴轴承制造工艺的影响引入到主轴轴承故障诊断当中，为主轴轴承的可靠性分析上提供了新思路。思路。

【技术实现步骤摘要】
基于数字孪生的航空发动机主轴轴承全生命周期分析方法


[0001]本专利技术属于机械故障诊断、可靠性分析领域，涉及基于数字孪生的航空发动机主轴轴承全生命周期分析方法。

技术介绍

[0002]航空发动机主轴轴承作为现代航空发动机中的关键零部件，它的主要功能是在高温、重载、高速和断油等恶劣的环境下支撑航空发动机主轴的旋转，降低主轴高速旋转过程中的摩擦系数，并可靠地保证航空发动机主轴工作时的回转精度和动力传输。航空发动机主轴轴承的制造需要复杂的工艺以及精密的加工以保证其高性能及高可靠性，而如何智能的完成主轴轴承的生产制造并且保障轴承的强度和精度，快速的分辨出轴承的故障类别和高效的计算分析、预测轴承的剩余使用寿命是当今研究的重点。
[0003]建立一个高保真和计算效率高的航空发动机主轴轴承数字孪生全生命周期是一个有价值的解决方案。数字孪生是将现实世界的物理实体以数字化的方式建立虚拟实体，再通过数据把物理实体与虚拟实体连接起来，把数据融合，包含大数据、云计算、传感器等信息技术，实现智能的服务。
[0004]以现实世界的物理实体的数据建立起虚拟模型，如工业中的尺寸、公差等要求，环境中的温度、湿度、气候等因素，这些数据提供给虚拟模型建立起独特的特征参数，再利用虚拟模型中模拟现实中可能发生或已经发生过的有关数据或者实时数据，模拟所得到的数据信息再反馈给物理实体，以此达到预测、管理等方面的应用，从而实现高效、智能的服务。

技术实现思路

[0005]本专利技术所述一种基于数字孪生的航空发动机主轴轴承全生命周期分析方法，该方法融合了基于数字孪生航空发动机主轴轴承的制造工艺和基于数字孪生的制造模式，包括航空发动机主轴轴承的冶金工艺、锻造工艺、热处理工艺和切削、研磨加工，实现加工过程中的精准控制，减少不同批次的主轴轴承因加工工艺设备的不同从而影响到主轴轴承的使用寿命。并且使用航空发动机主轴轴承制造过程的工艺数据基础上的航空发动机主轴轴承数字孪生模型对航空发动机主轴轴承进行故障诊断与寿命分析，从而提高判断主轴轴承故障的准确率。基于航空发动机主轴轴承数字孪生模型的主轴轴承加速寿命仿真试验可以在减少实验成本的情况下获得高保真的试验数据。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：步骤1：建立数字孪生车间，实时监测并采集基于数字孪生的航空发动机主轴轴承制造过程的工艺数据，以及主轴轴承基本尺寸参数；步骤2：建立航空发动机主轴轴承数字孪生模型，对不同状态下主轴轴承进行仿真试验并监测其多参数信号，利用监测的仿真信号中提取出的多参数数据和步骤1中所得的数字孪生工艺数据和主轴轴承的基本尺寸参数完善航空发动机主轴轴承数字孪生数据库；步骤3：利用步骤2所得的航空发动机主轴轴承数字孪生数据库，分析经过降噪处
理的特征信号，对航空发动机主轴轴承进行故障诊断，利用智能算法识别主轴轴承故障类型，找出主轴轴承发生故障时的故障频率；步骤4：利用步骤2中航空发动机主轴轴承数字孪生数据库与步骤3中的故障诊断识别方法进行航空发动机主轴轴承加速寿命仿真试验，分析航空发动机主轴轴承的磨损特性，制定主轴轴承维护策略，实现预测性维护。
[0007]进一步的，上述步骤1中所述建立数字孪生车间具体步骤为：步骤1
‑
1：建立航空发动机主轴轴承生产车间实体映射的虚拟模型；步骤1
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2：基于生产航空发动机主轴轴承车间的设备信息和人员配制，构建航空发动机主轴轴承生产车间数字孪生数据库；步骤1
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3：利用上述步骤1
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1中的航空发动机主轴轴承生产车间的虚拟模型和上述步骤1
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2中的航空发动机主轴轴承生产车间的数字孪生数据库完成航空发动机主轴轴承数字孪生车间，仿真主轴轴承的实际制造过程，预先给出主轴轴承制造的物料清单以及人员安排，实现航空发动机主轴轴承生产过程的优化和精确控制，节约时间的同时减少人力物力的成本。
[0008]进一步的，上述步骤1中所述的基于数字孪生的航空发动机主轴轴承制造过程的工艺数据具体步骤为：步骤1
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4：建立基于数字孪生的航空发动机主轴轴承钢的冶金虚拟模型；步骤1
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5：依据步骤1
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4中的冶金虚拟模型和实际冶金过程中的工艺数据完成航空发动机主轴轴承冶金工艺数字孪生数据库；步骤1
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6：结合步骤1
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3中的航空发动机主轴轴承数字孪生车间和步骤1
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5中的航空发动机主轴轴承冶金工艺数字孪生数据库完成航空发动机主轴轴承冶金工艺数字孪生模型。该模型通过控制轴承钢精炼中钢液的洁净度，从而控制轴承钢棒材的质量。基于该模型的冶金工艺的仿真试验数据再反馈给航空发动机主轴轴承冶金工艺数字孪生数据库；步骤1
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7：建立基于数字孪生的航空发动机主轴轴承的锻造虚拟模型；步骤1
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8：依据步骤1
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7中的锻造虚拟模型和实际锻造过程中的工艺数据完成航空发动机主轴轴承锻造工艺数字孪生数据库；步骤1
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9：结合步骤1
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3中的航空发动机主轴轴承数字孪生车间和步骤1
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8中的航空发动机主轴轴承锻造工艺数字孪生数据库完成航空发动机主轴轴承锻造工艺数字孪生模型，基于该模型的锻造工艺的仿真试验数据再反馈给航空发动机主轴轴承锻造工艺数字孪生数据库；步骤1
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10：建立基于数字孪生的航空发动机主轴轴承的热处理虚拟模型；步骤1
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11：依据步骤1
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10中的热处理虚拟模型和实际热处理过程中的工艺数据完成航空发动机主轴轴承热处理工艺数字孪生数据库；步骤1
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12：结合步骤1
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3中的航空发动机主轴轴承数字孪生车间和步骤1
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11中的航空发动机主轴轴承热处理工艺数字孪生数据库完成航空发动机主轴轴承热处理工艺数字孪生模型。该模型通过精准测控热处理过程中的温度，实现控制主轴轴承内部的组织结构，从而获得满足耐疲劳、耐磨损、耐腐蚀、高强度、良好稳定性的轴承钢。基于该模型的热处理工艺的仿真试验数据再反馈给航空发动机主轴轴承热处理工艺数字孪生数据库；步骤1
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13：建立基于数字孪生的航空发动机主轴轴承的切削、研磨加工虚拟模型；
步骤1
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14：依据步骤1
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13中的切削、研磨加工虚拟模型和实际的切削、研磨加工过程中的工艺数据完成航空发动机主轴轴承切削、研磨加工数字孪生数据库；步骤1
‑
15：结合步骤1
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3中的航空发动机主轴轴承数字孪生车间和步骤1
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14中的航空发动机主轴轴承切削、研磨加工数字孪生数据库完成航空发动机主轴轴承切削、研磨加工数字孪生模型。该模型可以自动优化加工过程中的路径规划，实时监测刀具或者砂轮的状态，提高加工过程中的能源和资源的使用效率，提高加工过程中的加工精度。基于该模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于数字孪生的航空发动机主轴轴承全生命周期分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立数字孪生车间，实时监测并采集基于数字孪生的航空发动机主轴轴承制造过程的工艺数据，以及主轴轴承基本尺寸参数；步骤2：建立航空发动机主轴轴承数字孪生模型，对不同状态下主轴轴承进行仿真试验并监测其多参数信号，利用监测的仿真信号中提取出的多参数数据和步骤1中所得的数字孪生工艺数据和主轴轴承的基本尺寸参数完善航空发动机主轴轴承数字孪生数据库；步骤3：利用步骤2所得的航空发动机主轴轴承数字孪生数据库，分析经过降噪处理的特征信号，对航空发动机主轴轴承进行故障诊断，利用智能算法识别主轴轴承故障类型，找出主轴轴承发生故障时的故障频率；步骤4：利用步骤2中航空发动机主轴轴承数字孪生数据库与步骤3中的故障诊断识别方法进行航空发动机主轴轴承加速寿命仿真试验，分析航空发动机主轴轴承的磨损特性，完成航空发动机主轴轴承数字孪生维护模型，制定主轴轴承维护策略，实现预测性维护。2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的航空发动机主轴轴承全生命周期分析方法，其特征在于，步骤1建立数字孪生车间包括以下步骤：步骤1
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1：建立航空发动机主轴轴承生产车间的虚拟模型；步骤1
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2：基于生产航空发动机主轴轴承车间的设备信息和人员配制，构建航空发动机主轴轴承生产车间数字孪生数据库；步骤1
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3：利用上述步骤1
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1中的航空发动机主轴轴承生产车间的虚拟模型和上述步骤1
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2中的航空发动机主轴轴承生产车间的数字孪生数据库完成航空发动机主轴轴承数字孪生车间，仿真主轴轴承的实际制造过程，实现航空发动机主轴轴承生产过程的优化和精确控制。3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的航空发动机主轴轴承全生命周期分析方法，其特征在于，步骤1所述的基于数字孪生的航空发动机主轴轴承制造过程的工艺数据包括以下步骤：步骤1
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4：建立基于数字孪生的航空发动机主轴轴承钢的冶金虚拟模型；步骤1
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5：依据步骤1
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4中的冶金虚拟模型和实际冶金过程中的工艺数据完成航空发动机主轴轴承冶金工艺数字孪生数据库；步骤1
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6：结合步骤1
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3中的航空发动机主轴轴承数字孪生车间和步骤1
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5中的航空发动机主轴轴承冶金工艺数字孪生数据库完成航空发动机主轴轴承冶金工艺数字孪生模型，基于该模型的冶金工艺的仿真试验数据再反馈给航空发动机主轴轴承冶金工艺数字孪生数据库；步骤1
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7：建立基于数字孪生的航空发动机主轴轴承的锻造虚拟模型；步骤1
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8：依据步骤1
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7中的锻造虚拟模型和实际锻造过程中的工艺数据完成航空发动机主轴轴承锻造工艺数字孪生数据库；步骤1
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9：结合步骤1
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3中的航空发动机主轴轴承数字孪生车间和步骤1
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8中的航空发动机主轴轴承锻造工艺数字孪生数据库完成航空发动机主轴轴承锻造工艺数字孪生模型，基于该模型的锻造工艺的仿真试验数据再反馈给航空发动机主轴轴承锻造工艺数字孪生数据库；
步骤1
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10：建立基于数字孪生的航空发动机主轴轴承的热处理虚拟模型；步骤1
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11：依据步骤1
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10中的热处理虚拟模型和实际热处理过程中的工艺数据完成航空发动机主轴轴承热处理工艺数字孪生数据库；步骤1
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12：结合步骤1
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3中的航空发动机主轴轴承数字孪生车间和步骤1
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11中的航空发动机主轴轴承热处理工艺数字孪生数据库完成航空发动机主轴轴承热处理工艺数字孪生模型，基于该模型的热处理工艺的仿真试验数据再反馈给航空发动机主轴轴承热处理工艺数字孪生数据库；步骤1
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13：建立基于数字孪生的航空发动机主轴轴承的切削、研磨加工虚拟模型；步骤1
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14：依据步骤1
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13中的切削、研磨加工虚拟模型和实际的切削、研磨加工过程中的工艺数据完成航空发动机主轴轴承切削、研磨加工数字孪生数据库；步骤1
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15：结合步骤1
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3中的航空发动机主轴轴承数字孪生车间和步骤1
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14中的航空发动机主轴轴承切削、研磨加工数字孪生数据库完成航空发动机主轴轴承切削、研磨加工数字孪生模型，基于该模型的切削、研磨加工的仿真试验数据再反馈给航空发动机主轴轴承切削、研磨加工数字孪生数据库；步骤1
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16：利用步骤1
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6中的冶金工艺数字孪生数据库、步骤1
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9中的锻造工艺数字孪生数据库、步骤1
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12中的热处理工艺数字孪生数据库、步骤1
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15中的切削、研磨加工数字孪生数据库，构建基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：李云峰，李明，李若璇，田澳，张航，徐新明，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：