导 读
数字孪生体是现有或将有的物理实体对象的数字模型，通过实测、仿真和数据分析来实时感知、诊断、预测物理实体对象的状态，通过优化和指令来调控物理实体对象的行为，通过相关数字模型间的相互学习来进化自身，同时改进利益相关方在物理实体对象生命周期内的决策。通过数字孪生体模型，可以实现全面监控系统的关键参数，分析系统在非常规条件下的各种性能，如恶劣工作环境、存在加工误差、冲击载荷工况等。利用数字孪生体模型进行虚拟化测试，缩短了测试和分析的时间，降低了测试与分析的成本，并可以根据虚拟化测试结果优化试验参数。因此建立机械产品关键零部件（如连杆）的数字孪生体模型，就具有十分重要的意义。
图1为实现连杆数字孪生体模型的技术路线，主要分为载荷识别、模型降阶和数字孪生体模型部署三部分。本文案例介绍了采用True-Load软件实现工程机械中连杆结构载荷识别的过程。首先在ANSYS Mechanical中，对连杆模型施加单位载荷并求解其应变响应；接着True-Load软件根据单位载荷计算结果确认连杆结构上最佳应变片贴片的位置和方向，据此对连杆结构进行应变片贴片；然后进行现场试验并采集应变片的测试结果；最后将试验测得的应变数据读入True-Load，通过计算得到连杆在试验过程中相应的动态载荷历程。
图1 连杆数字孪生模型技术路线图
True-Load载荷识别基本原理介绍
在结构线性响应情况下，载荷与变形、变形与应变均是线性关系，故而可得载荷与应变是线性关系。True-Load软件基于该性质对线性响应的结构进行载荷识别，如果整体结构中存在局部非线性行为，如螺栓连接和焊缝区域局部塑形变形、结构中存在橡胶件等，该载荷识别方法仍然适用。
图2 True-Load载荷识别原理
连杆单位载荷工况应变结果求解
在ANSYS Mechanical中插入Static Structural，首先在SCDM中建立连杆几何模型，然后在Mechanical中划分网格、施加单位载荷并求解。需要注意的两点是，其一有限元模型中要包含贴片区域的壳单元和实体单元；其二该连杆绕Z轴做转动，故模型在XY平面内施加单位载荷。模型底端销孔位置施加fixed约束，其余两个安装销的孔，沿着坐标轴X和Y分别施加单位载荷。该分析步骤目的是为了获得连杆单位载荷加载的*.rst结果文件。
图2 ANSYSMechanical单位载荷分析过程
True-Load/Pre-Test预分析
将包含连杆应变计算结果的file.rst文件导入True-Load/Pre-Test中，进行应变片贴片的预分析。规划出6个应变片最佳位置，用于识别连杆真实载荷。载荷识别过程中，要注意Condition Number，又称为载荷识别条件数C。当C<10时，说明贴片系统极为稳定，载荷识别的精度很高；当10<C<50时，说明贴片系统稳定性良好，载荷识别精度良好；当50<C<100时，说明贴片系统稳定性一般，载荷识别可以接受；如果C>100时，贴片系统进行真实载荷识别是不可接受的。最终确认应变片贴片位置后，可以把应变片在连杆上的位置坐标导出，并保存在*.csv文件中。实际现场试验中要按照csv文件中保存的坐标信息进行应变片贴片。
图3 Pre-Test应变片预分析
True-Load/Post-Test载荷识别
现场试验做完后，保存应变测试结果。把包含连杆应变片位置信息的*.tld文件，及转换为csv格式的应变测试结果文件，导入True-Load/Post-Test中，进行载荷识别。生成HTML分析报告，包括四个载荷步结果，载荷识别误差（均方根差），应变片仿真和实测应变数据之间的相关误差等信息。然后程序会自动生成*.tfu文件，用于真实载荷结果的导出。
图4 Post-Test连杆载荷识别
载荷识别过程中，会生成实测应变与识别载荷再加载到连杆上后的应变之间的误差分布，如下图所示。两种应变结果理论上应该围绕I、III象限45°方向分布，可以看到本算例计算结果符合此规律。在应变相关性分析中，两种应变结果均方根差、斜率、相关性定量描述如下图所示。
图5 真实应变与仿真应变的相关度
图6 真实应变与仿真应变的相关度数据表
True-Load/TFU-Manager识别载荷
结果导出
打开TFU/Manager选项，导入在载荷识别过程中生成的*.tfu文件。该文件存储了载荷识别结果，选中四个载荷步并导出*.csv文件。
图7 真实载荷识别结果导出
小结
本文介绍了利用ANSYS Mechanical和True-Load软件进行载荷识别的操作过程，包括单位载荷的结果文件计算、应变片的预分析、载荷识别及结果导出等，实现了由实测应变数据识别出连杆的真实载荷历程，为实现连杆数字孪生体模型的建立提供了载荷输入。
