一种液压泵虚实交互方法及系统与流程

1.本发明涉及航空用液压泵技术领域，具体而言，涉及一种液压泵虚实交互方法及系统。


背景技术：

2.液压泵是液压系统的动力元件，是通过发动机或电动机驱动，将低压的液压油从进口吸入，形成高压的液压油后从出口排出，将液压油输送到执行元件的一种元件。航空用液压泵是航空器液压系统的核心部件，为航空器起飞、操纵、起落架收放和刹车提供能源，要求在整个飞行过程中连续可靠的运行。
3.从液压泵设计制造到使用维护，直至液压泵报废，在液压泵整个生命周期中，由于每个环节中存在巨大的需求和环境差异，导致液压泵在制造过程，使用过程和维护过程中遇到问题后对液压泵更新迭代时间长，效率低。


技术实现要素：

4.为解决液压泵在整个生命周期中迭代更新时间长、效率低的问题，本发明提供了一种液压泵虚实交互方法及系统。
5.第一方面，本发明提供了一种液压泵虚实交互方法，包括：所述液压泵虚实交互方法包括：步骤s11，基于所述液压泵的性能需求，建立一维性能仿真模型进行仿真分析，得到所述液压泵设计参数；步骤s12，基于所述设计参数，建立三维仿真模型；其中，所述三维仿真模型包括压力流量模型、摩擦副热-流-固耦合模型、壳体温升模型、旋转组件刚柔耦合模型中的一种或多种组合；步骤s13，基于所述一维性能仿真模型和所述三维仿真模型，建立数字孪生模型；步骤s14，基于实时环境数据和/或已有环境数据，所述液压泵的工作数据驱动所述数字孪生模型，得到所述液压泵的仿真数据；步骤s15，基于所述仿真数据，对所述液压泵的状态进行诊断和/或预测。
6.优选的，所述步骤s11包括：步骤s111，基于所述液压泵的性能需求，得到所述液压泵的第一设计参数；步骤s112，基于所述液压泵的性能需求，建立所述一维性能仿真模型；步骤s113，将所述第一设计参数输入所述一维性能仿真模型中迭代优化，得到所述设计参数。
7.优选的，所述步骤s12包括：步骤s121，基于所述设计参数，建立第一三维仿真模型；
步骤s122，基于所述第一三维仿真模型的仿真计算分析，对所述设计参数进行迭代优化，得到第二设计参数；步骤s123，将所述第二设计参数输入所述一维性能仿真模型中迭代优化，得到第三设计参数；步骤s124，基于所述第三设计参数，对所述第一三维仿真模型进行优化，得到所述三维仿真模型；其中，所述三维仿真模型包括压力流量模型、摩擦副热-流-固耦合模型、壳体温升模型、旋转组件刚柔耦合模型中的一种或多种组合。
8.优选的，所述步骤s13包括：步骤s131，将所述三维仿真模型进行降阶处理，得到降阶后三维仿真模型；其中，所述降阶后三维仿真模型包括降阶后摩擦副热-流-固耦合模型、降阶后壳体温升模型、降阶后压力流量模型、降阶后旋转组件刚柔耦合模型中的一种或多种组合；所述降阶后摩擦副热-流-固耦合模型包括降阶后滑靴摩擦副热-流-固耦合模型、降阶后柱塞摩擦副热-流-固耦合模型、降阶后配流摩擦副热-流-固耦合模型中的一种或多种组合；步骤s132，将所述降阶后三维仿真模型融入所述一维性能仿真模型，得到所述数字孪生模型。
9.优选的，所述步骤s131，将所述三维仿真模型进行降阶处理，得到所述降阶后三维仿真模型，包括：将所述三维仿真模型进行仿真分析，得到训练样本数据；基于所述训练样本数据训练神经网络，得到数据驱动的所述降阶后三维仿真模型。
10.优选的，所述实时环境数据包括所述液压泵正常工作情况的实时环境数据、所述液压泵极端工作情况的实时环境数据、所述液压泵故障工作情况的实时环境数据；所述已有环境数据包括所述液压泵正常工作情况存储的环境数据、所述液压泵极端工作情况存储的环境数据、所述液压泵故障工作情况存储的环境数据。
11.优选的，所述步骤s15包括：步骤s151，基于所述仿真数据，生成故障诊断模型和/或寿命预测模型；步骤s152，将所述工作数据输入所述故障诊断模型，判定所述液压泵的故障状态和/或故障类型；步骤s153，将所述工作数据输入所述寿命预测模型，预测所述液压泵的剩余寿命。
12.优选的，所述液压泵虚实交互方法还包括：步骤s16，将所述三维仿真模型、所述数字孪生模型、所述仿真数据、所述故障状态、所述故障类型、所述剩余寿命中的一种或多种组合可视化。
13.第二方面，本发明提供一种液压泵虚实交互系统，包括：所述液压泵虚实交互系统通过第一方面中任一项所述的一种液压泵虚实交互方
法进行虚实交互；所述液压泵虚实交互系统包括：物理单元、数字孪生单元、虚实交互单元；其中，物理单元，用于将所述液压泵置于不同的环境条件下，进行多种工作模式的运行；采集不同环境条件下的环境数据和多种工作模式下的工作数据；数字孪生单元，用于基于所述液压泵的性能需求，建立数字孪生模型；基于输入数据进行仿真分析，得到仿真数据；虚实交互单元，用于将所述物理单元和所述数字孪生单元进行数据连通；或，将接收的所述物理单元和/或所述数字孪生单元输出数据进行分析处理，并将分析处理后数据输入所述物理单元和/或所述数字孪生单元。
14.优选的，所述物理单元包括所述液压泵、传感器、工况试验台、故障试验台、寿命试验台；所述传感器设置在所述液压泵、所述工况试验台、所述故障试验台、所述寿命试验台的周侧和/或内部，用于采集所述环境数据和/或所述工作数据；数字孪生单元包括一维性能仿真模型、三维仿真模型、数字孪生模型、故障诊断模型、寿命预测模型；基于所述一维性能仿真模型和所述三维仿真模型，建立所述数字孪生模型；基于所述数字孪生模型仿真分析的仿真数据，生成故障诊断模型和/或寿命预测模型；虚实交互单元包括交互接口模块、数据标准化模块、数据分析处理模块、数模融合模块、人机交互可视化模块、数据管理模块；所述交互接口模块用于将所述物理单元和所述数字孪生单元进行数据连通；数据标准化模块用于对接收数据进行数据清洗、数据转化、数据集成、数据归约中的一种或多种处理；数模融合模块用于将所述物理单元输出数据和所述数字孪生单元输出数据进行比对后，对所述数字孪生单元中的模型进行优化；或，数模融合模块用于将所述数字孪生单元模拟的所述环境数据和/或所述工作数据输出至所述物理单元；所述数据分析处理模块用于基于所述仿真数据分析处理，得到诊断和/或预测结果；所述人机交互可视化模块用于展示所述液压泵虚实交互系统中的数据；所述数据管理模块用于存储所述液压泵虚实交互系统中的数据。
15.为解决液压泵在整个生命周期中迭代更新时间长、效率低的问题，本发明有以下优点：1通过液压泵的性能需求，建立一维性能仿真模型和三维仿真模型。并通过一维性能仿真模型和三维仿真模型，建立最终的数字孪生模型。通过数字孪生模型的仿真分析，可以得到满足液压泵性能需求的最终设计参数，完成液压泵的设计和制造。
16.2由于三维仿真模型中包括了压力流量模型、摩擦副热-流-固耦合模型、壳体温升模型、旋转组件刚柔耦合模型中的一种或多种组合，这样可以准确和全面的仿真出液压泵的工作状况，从而为更好地更新迭代液压泵做好模型基础并提高迭代效率。
17.3. 通过将液压泵的数字孪生模型在实际环境数据和/或已有环境数据中进行工作仿真，这样可以准确的模拟出液压泵的工作情况，以便对液压泵的状态进行诊断和/或预测。
附图说明
18.图1示出了一种实施例的液压泵虚实交互方法示意图；
图2示出了另一种实施例的液压泵虚实交互方法示意图；图3示出了一种实施例的液压泵虚实交互系统示意图；图4示出了另一种实施例的液压泵虚实交互系统示意图。
19.附图标记：图中：10为 物理单元；11为液压泵；12为传感器；13为 工况试验台；14为 故障试验台；15为 寿命试验台；20为 数字孪生单元；21为 一维性能仿真模型；22为 三维仿真模型；23为 数字孪生模型；24为 故障诊断模型；25为 寿命预测模型；30为 虚实交互单元；31为 交互接口模块；32为 数据标准化模块；33为 数据分析处理模块；34为 数模融合模块；35为 人机交互可视化模块；36为 数据管理模块。
具体实施方式
20.现在将参照若干示例性实施例来论述本公开的内容。应当理解，论述了这些实施例仅是为了使得本领域普通技术人员能够更好地理解且因此实现本公开的内容，而不是暗示对本公开的范围的任何限制。
21.如本文中所使用的，术语“包括”及其变体要被解读为意味着“包括但不限于”的开放式术语。术语“基于”要被解读为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“一种实施例”要被解读为“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”要被解读为“至少一个其他实施例”。
22.本实施例公开了一种液压泵11虚实交互方法，如图1所示，可以包括：液压泵11虚实交互方法可以包括：步骤s11，基于液压泵11的性能需求，建立一维性能仿真模型21进行仿真分析，得到液压泵11设计参数；步骤s12，基于设计参数，建立三维仿真模型22；其中，三维仿真模型22可以包括压力流量模型、摩擦副热-流-固耦合模型、壳体温升模型、旋转组件刚柔耦合模型中的一种或多种组合；步骤s13，基于一维性能仿真模型21和三维仿真模型22，建立数字孪生模型23；
步骤s14，基于实时环境数据和/或已有环境数据，液压泵11的工作数据驱动数字孪生模型23，得到液压泵11的仿真数据；步骤s15，基于仿真数据，对液压泵11的状态进行诊断和/或预测。
23.在本实施例中，如图4所示，液压泵11虚实交互方法可以在液压泵11虚实交互系统中完成。液压泵11虚实交互系统可以包括物理单元10、数字孪生单元20及虚实交互单元30。物理单元10可以用于将液压泵11在不同的工作情况下，进行多种工作模式的运行，并采集工作情况下的环境数据和多种工作模式下的工作数据。数字孪生单元20可以根据液压泵11性能需求，建立起多种模型。并基于多种模型，进行仿真分析，得到仿真数据。虚实交互单元30可以将物理单元10和数字孪生单元20进行数据连通，还可以将物理单元10和/或数字孪生单元20输出数据进行分析处理，并将分析处理后数据输入物理单元10和/或数字孪生单元20。如图1所示，液压泵11虚实交互方法可以包括步骤s11~步骤s15，各步骤详细说明如下：步骤s11，可以基于用户对液压泵11的性能需求（比如液压泵11的压力、流量、振动、噪音以及其体积的形状大小），采用amesim等系统建模软件建立一维性能仿真模型21，实现对液压泵11总体构型布局和详细设计参数的匹配。通过一维性能仿真模型21的仿真分析，最终得到液压泵11的设计参数，方便进一步建模工作的完成。在另一些实施例中，如图2所示，步骤s11还可以包括步骤s111~步骤s113，具体为：步骤s111，可以基于用户对液压泵11的性能需求（比如液压泵11的压力、流量、振动、噪音以及其体积的形状大小），采用一些设计公式或者类似已有的液压泵11设计模型计算得到液压泵11的第一设计参数。步骤s112，可以基于用户对液压泵11的性能需求（比如液压泵11的压力、流量、振动、噪音以及其体积的形状大小），采用amesim等系统建模软件建立一维性能仿真模型21。步骤s113，可以将液压泵11的第一设计参数输入到一维性能仿真模型21中进行计算，得到中间设计参数；还可以将中间设计参数再次输入一维性能仿真模型21中进行计算，通过这样多次迭代优化计算，最终得到液压泵11设计参数。
24.步骤s12，可以根据得到的液压泵11设计参数，使用三维建模软件对液压泵11建立三维仿真模型22。通过建立的三维仿真模型22，可以准确的得到液压泵11各个部件的几何结构和各个部件之间的关系。其中，三维仿真模型22可以包括液压泵11内的压力流量模型、摩擦副热-流-固耦合模型、壳体温升模型、旋转组件刚柔耦合模型中的一种或多种组合。压力流量模型主要表现为液压泵11内部压力和流量的变化关系；摩擦副热-流-固耦合模型主要表现为液压泵11工作时摩擦副的功率损耗、泄漏量、温度、压力分布的变化关系；壳体温升模型主要表现为液压泵11工作时壳体温度的变化关系；旋转组件刚柔耦合模型主要表现为液压泵11工作时，旋转组件的模态。在另一些实施例中，如图2所示，步骤s12还可以包括步骤s121~步骤s124，具体为：步骤s121，可以根据得到的液压泵11设计参数，使用三维建模软件对液压泵11建立第一三维仿真模型22。第一三维仿真模型22可以得到液压泵11各个部件的几何结构和各个部件之间的关系。步骤s122，可以基于第一三维仿真模型22中部件之间的物理关系进行仿真计算分析，从而优化并迭代液压泵11的设计参数，得到第二设计参数。步骤s123，可以将第二设计参数输入一维性能仿真模型21进行仿真计算分析，再次优化并迭代液压泵11的设计参数，得到第三设计参数。在还有一些实施例中，在数据迭代优化过程时，步骤s121至步骤s123可以重复进行多次，最终得到第三设计参数。步骤s124，可以基
于最终得到的第三设计参数，对第一三维仿真模型22进行优化，得到三维仿真模型22。在还有一些实施例中，由于步骤s121至步骤s123可以重复进行多次，在步骤s121中还可以得到在第一三维仿真模型22基础上进行迭代的第二三维仿真模型22。可以基于最终得到的第三设计参数，对第二三维仿真模型22进行优化，得到三维仿真模型22。这样得到的三维仿真模型22较为接近用户的真实需求，从而更好的完成液压泵11三维仿真模型22的建立，便于后续工作的进行。
25.步骤s13，由于一维性能仿真模型21和/或三维仿真模型22中包含了多个具有独立功能或结构的模型。可以将一维性能仿真模型21和三维仿真模型22结合，建立数字孪生模型23，这样便于对液压泵11的仿真模型进行综合分析，得到接近于实际情况的仿真分析数据。在另一些实施例中，如图2所示，步骤s13还可以包括步骤s131~步骤s132，具体为：步骤s131，由于三维仿真模型22较为准确的表达了液压泵11的实际情况，这样导致三维仿真模型22进行仿真分析时，需要消耗大量的时间，才能得到仿真分析结果。这往往是不利于液压泵11快速地更新迭代。因此，可以将三维仿真模型22进行降阶处理，得到降阶后三维仿真模型22。降阶处理的过程可以包括：将三维仿真模型22在不同的工作环境和工作参数下，进行仿真分析，得到大量的仿真分析数据；然后可以将这些仿真分析数据作为训练样本数据，对神经网络进行训练，最终得到数据驱动的降阶后三维仿真模型22。这样得到的降阶后三维仿真模型22可以在较短的时间内得到仿真分析结果，从而加快液压泵11的更新迭代。步骤s132，在步骤s131中可以将液压泵11三维仿真模型22中关键部件模型和/或复杂机理模型进行降阶处理。将这些模型降低处理后得到的降阶后三维仿真模型22可以融入到一维性能仿真模型21，替代部分的一维性能仿真模型21，从而形成一个完整的数字孪生模型23。这样通过得到的数字孪生模型23可以准确的进行仿真分析，快速的得到仿真结果。
26.步骤s14，通过虚实交互单元30可以将液压泵11工作时的实时环境数据和/或已经存储的工作环境数据应用到数字孪生模型23中，并设置液压泵11数字孪生模型23的工作数据，进行仿真分析，最终得到液压泵11的仿真数据。这里的实时环境数据可以是物理单元10中液压泵11工作时的环境数据。通过虚实交互单元30将液压泵11的工作环境数据实时应用到数字孪生模型23中，这样可以准确地仿真出液压泵11的真实工作情况，从而及时做出诊断和/或预测。由于液压泵11的实际工作位置随着航空器的变化而变化，所以无法将其工作的环境实时数据应用到数字孪生模型23中。这里的已有环境数据可以是已经存储的工作环境数据。通过将已有环境数据应用到数字孪生模型23中，这样可以更准确的仿真出液压泵11的真实工作情况，从而合理地做出诊断和/或预测。在对数字孪生模型23进行仿真分析过程中，可以将正常的工作数据输入到数字孪生模型23中，还可以将故障工作数据输入到数字孪生模型23中，进行故障机理分析。还可以通过数字孪生模型23进行寿命耐久仿真分析，得到性能退化机理仿真数据。
27.步骤s15，可以通过对仿真数据的分析，从而达到对液压泵11状态的诊断和/或预测。更进一步来说，通过诊断和/或预测的结果，还可以再次对液压泵11进行优化迭代设计。在另一些实施例中，如图2所示，步骤s15还可以包括步骤s151~步骤s153，具体为：步骤s151，可以将在步骤s14中通过将故障数据输入到数字孪生模型23中，进行故障机理分析得到的仿真数据，采用机器学习算法建立故障诊断模型24。还可以将步骤s14中通过数字孪生模型23进行寿命耐久仿真分析，得到的性能退化机理仿真数据，采用人工智能算法建立寿
命预测模型25。步骤s152，可以将工作数据输入故障诊断模型24，判定液压泵11的故障状态和/或故障类型，从而便于使用人员和/或维修人员对液压泵11进行下一步处理。步骤s153，可以将工作数据输入寿命预测模型25，预测液压泵11的剩余寿命，从而便于维修保养人员对准备液压泵11的备件并制定保养维修计划。
28.在一些实施例中，液压泵11虚实交互方法还可以包括：步骤s16，将三维仿真模型22、数字孪生模型23、仿真数据、故障状态、故障类型、剩余寿命中的一种或多种组合可视化。
29.在本实施例中，液压泵11虚实交互方法还可以包括步骤s16，液压泵11虚实交互系统可以将三维仿真模型22、数字孪生模型23、仿真数据、故障状态、故障类型、剩余寿命中的一种或多种组合进行可视化展示。通过可视化展示的方式，使得用户更直观和形象的了解液压泵11的状态，从而更准确地做出进一步的判断和处理。
30.本实施例公开了一种液压泵11虚实交互系统，可以包括：液压泵11虚实交互系统通过如上述实施例中任一项的一种液压泵11虚实交互方法进行虚实交互；如图3所示，液压泵11虚实交互系统可以包括：物理单元10、数字孪生单元20、虚实交互单元30；其中，物理单元10，用于将液压泵11置于不同的环境条件下，进行多种工作模式的运行；采集不同环境条件下的环境数据和多种工作模式下的工作数据；数字孪生单元20，用于基于液压泵11的性能需求，建立数字孪生模型23；基于输入数据进行仿真分析，得到仿真数据；虚实交互单元30，用于将物理单元10和数字孪生单元20进行数据连通；或，将接收的物理单元10和/或数字孪生单元20输出数据进行分析处理，并将分析处理后数据输入物理单元10和/或数字孪生单元20。
31.在本实施例中，如图3所示，液压泵11虚实交互系统可以包括：物理单元10、数字孪生单元20、虚实交互单元30。物理单元10和数字孪生单元20可以通过虚实交互单元30进行数据连通。物理单元10可以包括实验室模拟的工作环境中运行的实物液压泵11，并采集模拟的环境数据和液压泵11的工作数据。由于模拟工作环境数据与实际的工作环境数据存在差异，物理单元10还可以包括在实际工作环境中运行的实物液压泵11，并采集实际工作的环境数据和液压泵11的工作数据。数字孪生单元20可以通过液压泵11的性能需求，建立多种数字孪生模型23。通过这些数孪生字模型来进行仿真分析，可以得到仿真数据。虚实交互单元30可以接收物理单元10和/或数字孪生单元20输出数据，并对这些数据进行分析和处理，得到处理后的数据。虚实交互单元30还可以将这些处理后的数据输入物理单元10和/或数字孪生单元20。物理单元10中的液压泵11可以根据虚实交互单元30输入的数据进行运转。数字孪生单元20也可以根据虚实交互单元30输入的数据进行仿真分析。
32.在一些实施例中，如图4所示，物理单元10可以包括液压泵11、传感器12、工况试验台13、故障试验台14、寿命试验台15；传感器12设置在液压泵11、工况试验台13、故障试验台14、寿命试验台15的周侧和/或内部，用于采集环境数据和/或工作数据；数字孪生单元20可以包括一维性能仿真模型21、三维仿真模型22、数字孪生模型
23、故障诊断模型24、寿命预测模型25；基于一维性能仿真模型21和三维仿真模型22，建立数字孪生模型23；基于数字孪生模型23仿真分析的仿真数据，生成故障诊断模型24和/或寿命预测模型25；虚实交互单元30可以包括交互接口模块31、数据标准化模块32、数据分析处理模块33、数模融合模块34、人机交互可视化模块35、数据管理模块36；交互接口模块31用于将物理单元10和数字孪生单元20进行数据连通；数据标准化模块32用于对接收数据进行数据清洗、数据转化、数据集成、数据归约中的一种或多种处理；数模融合模块34用于将物理单元10输出数据和数字孪生单元20输出数据进行比对后，对数字孪生单元20中的模型进行优化；或，数模融合模块34用于将数字孪生单元20模拟的环境数据和/或工作数据输出至物理单元10；数据分析处理模块33用于基于仿真数据分析处理，得到诊断和/或预测结果；人机交互可视化模块35用于展示液压泵11虚实交互系统中的数据；数据管理模块36用于存储液压泵11虚实交互系统中的数据。
33.在本实施例中，如图4所示，物理单元10可以包括液压泵11、传感器12、工况试验台13、故障试验台14、寿命试验台15。工况试验台13可以提供多种工况的环境参数和工作参数来运行液压泵11。多种工况可以包括标准工况、高负载工况、高温工况、高空工况、振动工况。故障试验台14可以对液压泵11注入一些故障并进行运转。寿命试验台15可以提供正常或加速寿命的环境参数和工作参数来运行液压泵11。传感器12可以设置在液压泵11、工况试验台13、故障试验台14、寿命试验台15的周侧和/或内部，用于采集环境数据和/或工作数据。
34.数字孪生单元20可以包括一维性能仿真模型21、三维仿真模型22、数字孪生模型23、故障诊断模型24、寿命预测模型25。数字孪生单元20可以通过液压泵11的性能需求，建立一维性能仿真模型21。通过一维性能仿真模型21的仿真分析，得到设计参数。数字孪生单元20可以通过设计参数，建立三维仿真模型22。基于一维性能仿真模型21和三维仿真模型22，建立数字孪生模型23；基于数字孪生模型23仿真分析的仿真数据，生成故障诊断模型24和/或寿命预测模型25。数字孪生单元20也可以根据虚实交互单元30输入的数据或自身仿真分析的数据进行仿真分析，得到仿真结果。
35.虚实交互单元30可以包括交互接口模块31、数据标准化模块32、数据分析处理模块33、数模融合模块34、人机交互可视化模块35、数据管理模块36。交互接口模块31可以用于将物理单元10和数字孪生单元20进行数据连通；数据标准化模块32可以用于对接收数据进行数据清洗、数据转化、数据集成、数据归约中的一种或多种处理。数模融合模块34可以用于将物理单元10输出数据和数字孪生单元20输出数据进行比对后，对数字孪生单元20中的模型进行优化。或，数模融合模块34可以用于将数字孪生单元20模拟的环境数据和/或工作数据输出至物理单元10。数据分析处理模块33可以用于基于仿真数据分析处理，得到诊断和/或预测结果。人机交互可视化模块35可以用于展示液压泵11虚实交互系统中的数据。数据管理模块36可以用于存储液压泵11虚实交互系统中的数据。
36.本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本公开的具体案例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本公开的精神和范围。