(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210752989.6 (22)申请日 2022.06.29 (71)申请人 华南理工大 学 地址 510640 广东省广州市天河区五山路 381号 (72)发明人 何国林　李健霖　李巍华　丁康　 (74)专利代理 机构 广州粤高专利商标代理有限 公司 44102 专利代理师 黄月莹 (51)Int.Cl. G06F 30/27(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06N 3/00(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种齿轮传动系统数字孪生模型虚实数据 镜像更新方法 (57)摘要 本发明公开了一种齿轮传动系统数字孪生 模型虚实数据镜像更新方法， 包括： 简化齿轮传 动系统使用牛顿第二定律建立齿轮传动系统动 力学微分方程； 对齿轮传动系统系统动力学微分 方程求解， 得到不同工况下的振动加速度响应； 采集具有相同齿轮参数的齿轮传动系统轴承端 盖上的振动加速度信号， 并对信号进行快速傅里 叶变换处理和分析； 确定更新参数的类型与数 量， 构建齿轮传动系统仿真虚拟模 型镜像更新的 多参数最优化目标函数； 使用粒子群算法对最优 化目标函数进行求解， 对仿真虚拟模型进行更 新。 本发明对仿真虚拟模型的更新具有一定的求 解精度， 还 可从求解过程与求解结果中分析仿真 虚拟模型与实际物理模型虚实数据镜像更新的 关键参数。 权利要求书3页 说明书11页 附图6页 CN 115081330 A 2022.09.20 CN 115081330 A 1.一种齿轮传动系统数字孪生模型虚实数据镜像更新方法， 其特征在于， 包括以下步 骤： S1、 简化齿轮传动系统； S2、 使用牛 顿第二定律建立齿轮传动系统动力学微分方程； S3、 对齿轮传动系统动力学微分方程 求解， 得到不同工况 下的振动加速度响应； S4、 采集具有相同齿轮参数的齿轮传动系统轴承端盖上的振动加速度信号； S5、 对采集的振动加速度信号进行 快速傅里叶变换处 理和分析； S6、 确定更新参数的类型与数量， 构建齿轮传动系统仿真虚拟模型镜像更新的多参数 最优化目标函数； S7、 构建提升性能后的粒子群算法(P SO)； S8、 确定提升性能后的P SO算法参数； S9、 初始化P SO算法中的每一个粒子； S10、 迭代更新每一个粒子的速度与位置， 将每个粒子自身历史最好位置和当前群体最 好位置进行比较， 对最优化目标函数求 解并更新。 2.根据权利要求1所述的一种齿轮传动系统数字孪生模型虚实数据镜像更新方法， 其 特征在于， 步骤S1中， 利用集中参数法简化将齿轮传动系统简化成离散的质量 ‑弹簧‑阻尼 系统； 某一阶齿轮副在啮合线上的运动关系 δij： δij＝|xi‑xj|sinα +|yi‑yj|cosα +θirbi‑θjrbj+e(t)； 其中， i和j分别代表输入轴齿轮和输出轴齿轮； x、 y和θ分别代表齿轮旋转中心在x和y 方向的位移和旋转 的角度； α为齿轮的压力角； rb为基圆半径； e(t)为齿轮轮齿综合啮合误 差。 3.根据权利要求1所述的一种齿轮传动系统数字孪生模型虚实数据镜像更新方法， 其 特征在于， 步骤S2中， 根据 某一阶齿轮副在啮合线 方向上的相对运动关系， 在稳定的转速输 入和负载 下， 运用牛 顿第二定律， 建立系统运动微分方程； 把啮合线上的运动关系 δij带入到系统运动微分方程中， 得到矩阵形式的系统运动微分 方程： 其中， q为系统坐标列阵； 和 分别表示系统坐标速度列阵和系统坐标加速度列阵； M 为系统质量矩阵； C为系统阻尼矩阵； K为系统刚度矩阵； T为系统力矩矩阵； E为系统误差激 励矩阵。 4.根据权利要求1所述的一种齿轮传动系统数字孪生模型虚实数据镜像更新方法， 其 特征在于， 步骤S 3中， 考虑系统中刚度参数和阻尼参数随时间变化的部 分， 假设齿轮轮齿综 合啮合误差设置为 零， 运动微分方程如下： 其中q为系统坐标列阵； 和 分别表示系统坐标速度列阵和系统坐标加速度列阵； M为 系统质量矩阵； C为系统阻尼矩阵； K为系统刚度矩阵； T为系统力矩 矩阵； 运用ode15s求解器对该运动微分方程进行求解， 引 入辅助方程和状态向量， 并将运动 微分方程进 行变形， 带入到求解器中； 设置求解的时间长度， 设置求解器的相对误差容限和权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115081330 A 2绝对误差容限， 默认所有自变量初始 值为零； 通过设置不同的输入转速和负载力矩， 运行程 序对运动微分方程进行求 解， 得到齿轮传动系统在不同工况 下的动态响应信号fM。 5.根据权利要求1所述的一种齿轮传动系统数字孪生模型虚实数据镜像更新方法， 其 特征在于， 步骤S4具体包括以下步骤： S4.1、 在各级输入、 输出轴轴承端盖上方分别安装压电式加速度传感器， 用于测量x、 y 两个方向上的振动加速度信号， x、 y方向与步骤S1中简化后的齿轮传动系统的x、 y方向对 应； 将传感器、 计算机与数据采集系统连接； S4.2、 设置采样总时长和采样频率， 设置输入轴的转速和输出轴的负载力矩， 进行振动 信号采集。 6.根据权利要求1所述的一种齿轮传动系统数字孪生模型虚实数据镜像更新方法， 其 特征在于， 步骤S5中， 利用快速傅里叶变换把时域中连续的振动响应信号转换为频域中的 离散的信号， 分析信号中主 要的频率成分是否与设定 工况下的各级轮齿啮合频率对应。 7.根据权利要求1所述的一种齿轮传动系统数字孪生模型虚实数据镜像更新方法， 其 特征在于， 步骤S6中， 齿轮传动系统仿真虚拟模型镜像更新的多参数最优化目标函数R为： R( η1, η2,..., ηn)＝fD( η1, η2,..., ηn)‑fM( η1, η2,..., ηn)； 其中， η1, η2,..., ηn为更新参数， fD和fM分别是仿真虚拟模型和实际物理模型与更新参 数有关的响应信号； 然后将仿真虚拟模型镜像更新的过程看成多参数求解最优化问题的过程， 得出最优化 问题的目标函数： 其中， H为被选作更新参数的变量的列向量， Hmin和Hmax分别是所选取变量可以取得的最 小值与最大值的列向量， gi(H)为不等式约束条件， hj(H)为等式约束条件， i和 j分别用来区 别不同的不等式约束 条件和不同的等式约束 条件， k和m分别表示不等式约束 条件和等式约 束条件的总数量， R(H)即为多参数最优化目标函数。 8.根据权利要求1所述的一种齿轮传动系统数字孪生模型虚实数据镜像更新方法， 其 特征在于， 步骤S7中， 构建提升性能后的P SO算法： 其中， i＝1,2,...,N， N是该粒子群的粒子总数； xi是指粒子当前所在位置， 维数为S6中 的n， vi是指粒子的速度， 其中每 一项对应xi中对应项的速度， 每 一个粒子包含其当前所在位 置与速度值； pb est是每一粒子在其自身搜索历史中的最优位置， gbest是群体目前为止所 能搜索到的最优位置， c1是粒子跟 踪自己历史最优值的权重系数， c2是粒子跟 踪群体最优值 的权重系数， rand()为介于 0到1之间的随机数字， ω为惯性权 重因子， 是正 值。 9.根据权利要求1所述的一种齿轮传动系统数字孪生模型虚实数据镜像更新方法， 其权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115081330 A 3