《基于“数字化双胞胎”载荷识别的结构可靠性验证与优化》

“数字化双胞胎”是前沿的数字化观念，无论在学术领域还是工业实践上都是一个值得探索的新领域，实施得当将为我国发展先进制造业带来深远的影响、重大的贡献。基于True-Load提供的技术，各个机械产品都可以建立基于实体测量的“数字化双胞胎”结构优化系统，识别出产品实际操作中关键部件的受力状态与变化。掌握载荷才可验证、分析、优化关键部件的结构可靠性。建议高校与军工国企提报相关科研项目，以其科研成果为研发智能化寻找突破口，推动学术与技术升级，实现我国机械制造业和装备制造业由“数量优势”向“质量优势”的转型。

相关科研聚焦于理论计算（有限元分析）和测试验证间的“数据纽带”，形成测试-仿真闭环的数字化闭环系统；以有限元分析指导各类机械测试的布局，再以试验采集的数据映射出数字化模型上完整的受力历程，识别载荷、分析并优化各级关键零部件。研究对象和成果涵盖飞机发动机、汽车、工程机械、机床、电力设备、航天、船舶等工业领域。

相关科研课题的技术核心有三：

1）基于“数字化双胞胎”的机械结构可靠性优化系统

“数字化双胞胎”的核心是一个连接实体系统和数字化系统的“数据纽带”。通过这个数据纽带，数字化系统可以了解真实世界的过去和现在、并据此预测未来的趋势走向而计算优化。基于True-Load，可以通过“测试预分析”和“测试后分析”组成实体结构和数字化模型间的“数据纽带”。“测试预分析”系根据力学计算结果优化测试验证的传感器位置，保证传感器分布在各种静力载荷、动力载荷的行进路径上（而非承受力度高的位置），因此能保证以少量的测量点（比如飞机发动机、蒸汽、燃气机等高温、高压、高转速的转子结构，在试验中也只能允许“极少”数量的测量点）识别出机械载荷和模态载荷。“测试后分析”系根据测量值映射出数字化模型上完整的结构受力历程，并据此评估、优化结构的可靠性。

2) 基于有限元算法的载荷识别技术

载荷识别是True-Load“数字化双胞胎”结构可靠性分析的关键技术之一。机械结构件的载荷识别主要包括静（含热、流、重力）载荷和动（模态）载荷两个部分。通过特定算法，根据少数测量点的有限测量值识别出结构受力和振动模态载荷谱。

3) 基于测量映射法的结构疲劳算法

目前实务上常见的产品耐久性评估有二种方式；一种是基于疲劳试验获取的应变历程（将应变片置于劳损高发处；但是劳损高发位置不易事先确认），另一种是基于有限元计算出的应变变化（可以评估整体结构，不需担心错失劳损高发点；但是实际操作的载荷不易确认）。二者皆有明显的局限性。基于True-Load，可以由少量的实体测量值映射出有限元模型上结构所有部位的应力、应变历程，形成测试-仿真的闭环系统，然后计算寿命、损伤、安全系数等三个耐久可靠性指标。