(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 202210855542.1 (22)申请日 2022.07.20 (71)申请人 东南大学 地址 211100 江苏省南京市江宁区东 南大 学路2号 (72)发明人 倪中华　严岩　胡海斌　刘庭煜　 (74)专利代理 机构 北京德崇智捷知识产权代理 有限公司 1 1467 专利代理师 申星宇 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/23(2020.01) E02D 27/42(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于沉桩过程的数字 孪生建模方法 (57)摘要 本发明涉及先进制造与自动化技术领域， 特 别是涉及一种基于沉桩过程的数字孪生建模方 法， 该方法包含施工装备实体： 用于在实际施工 中产生动态参数； 数据采集平台： 用于实现相关 参数的传感、 采集、 传输及处理； 数字孪生模型： 通过融合相关的几何/物理模型进行仿真， 结合 输入的参数， 实时预测打桩模型的后续状态， 输 出预测参数； 智 能调控系统： 实时可视化显示当 前打桩过程的核心参数数值并输出部分参数的 预测值。 本发 明可以实现对沉桩 过程的核心参数 进行远程实时监测， 同时预测后续的变化情况； 在实际施工中可以根据数字孪生模型输出的预 测结果优化施工过程， 提高沉桩过程的安全性、 效率以及保证沉桩过程中的各项技术指标符合 国家标准。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 115146361 A 2022.10.04 CN 115146361 A 1.一种基于沉桩过程的数字 孪生建模方法， 其特 征在于， 包括以下 具体步骤： S1、 构建数据采集平台对沉桩过程中的数据进行采集、 传输和处 理； S2、 对沉桩过程进行结构分析、 功能分析和运动特性分析， 构建沉桩过程数字孪生模 型； S21、 通过功能分析， 确定沉桩过程中各部件的功能； S22、 通过运动分析， 确定沉桩过程中的运行参数； S23、 通过结构分析， 确定沉桩过程中数字孪生建模的主要部件、 相对位置特征、 划分独 立的子系统， 最终确定几何、 物理模型； S3、 基于沉桩过程数字孪生模型， 将几何、 物 理模型和动力学机理模型融合， 以替打件、 替打环、 桩的位移、 接触力以及 桩体的垂 直度误差的特性表征参数作为观测变量， 实现沉桩 过程数字 孪生建模， 具体包括 位移特性、 接触力特性、 锤击效率特性以及垂直度变化特性； S4、 构建沉桩过程数字 孪生预测模型， 以孪生数据驱动沉桩过程的施工过程优化。 2.根据权利要求1所述的一种基于沉桩过程的数字孪生建模方法， 其特征在于， 基于 S21、 S23的功能分析、 结构分析， 确定沉桩过程中各部件的简化 三维模型； 其中， 沉桩过程中输入能量的液压锤简化为圆柱状锤芯， 其打击能量与频次作为系统 中的输入参数； 替打件、 替打环为锤芯与桩之间的缓冲件， 其 位移与接触力为系统中的观测变量； 桩为沉桩系统中的核心部件， 其位移、 竖直接触力、 侧向力以及垂直度误差为系统中的 观测变量。 3.根据权利要求2所述的一种基于沉桩过程的数字孪生建模方法， 其特征在于， 桩体的 位移、 竖直接触力、 侧向力以及垂直度误差参数作为预测 变量， 以预测变量为指标， 调控沉 桩过程中的输入参数。 4.根据权利要求1所述的一种基于沉桩过程的数字孪生建模方法， 其特征在于， 基于 S22的运动特性分析， 确定沉桩过程中的运动特性参数为各部件的位移及加速度， 位移及加 速度为观测变量及预测变量； 其中上述各观测变量及输入参数通过 数据采集平台采集； 其中数据采集平台包括高应 变打桩分析仪、 GP S、 经纬仪、 水准仪； 高应变打桩分析仪输出锤击力、 液压锤锤效率； GPS、 经纬仪、 水准仪测量桩的贯入度以 及桩身垂直度误差 。 5.根据权利要求2所述的一种基于沉桩过程的数字孪生建模方法， 其特征在于， 将简化 三维模型， 导入ABAQUS中， 结合步骤S2中确定的几何、 物理模型， 在ABAQUS中对三维模型进 行有限元分析； 有限元分析 过程包含如下步骤： 对沉桩过程中各部件基本的材料属性设置、 各部件装配关系设置、 部件 网格划分、 沉桩 过程边界条件的确定以及对最终输出参数的选择； 其中， 实际沉桩过程中液压锤的打击能量与频次作为有限元模型中的输入参数， 驱动 模型运行， 有限元模型实时输出相应参数； 输出沉桩过程中最后传递到桩顶部的能量并与输入的打击能量进行对比； 构建沉桩过 程数字孪生锤击效率特性；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115146361 A 2输出桩的侧向位移， 构建沉桩过程数字 孪生桩身垂直度误差特性。 6.根据权利要求5所述的一种基于沉桩过程的数字孪生建模方法， 其特征在于， 根据有 限元模型中计算得出的替打件和 替打环的加速度以及桩顶部的接触力预测 值与提前设置 好的容许最大值进行比较， 如果超过最大值， 则立即停止沉桩过程,修改输入。 7.根据权利要求5所述的一种基于沉桩过程的数字孪生建模方法， 其特征在于， 根据有 限元模型， 以现有的观测值 为输入， 仿真得到桩的垂直度误差与侧向力； 再以此新的垂直度误差为基础， 给定下一输入， 得到后续的预测 垂直度误差与侧向力， 重复计算 n次， 则可以得到n次锤击后的垂直度误差预测曲线与侧向力预测曲线。 8.根据权利要求7所述的一种基于沉桩过程的数字孪生建模方法， 其特征在于， 若垂直 度误差在预测曲线中有超过最大容许垂 直度误差的情况， 则根据仿 真结果提前调整液压锤 的输入， 直到预测曲线中的垂直度误差在最大容许垂直度误差以下。 9.根据权利要求7所述的一种基于沉桩过程的数字孪生建模方法， 其特征在于， 若预测 曲线的垂直度误差均未超过最大容许垂直度误差， 则可以正常进行下一锤的施工， 同时根 据数据采集平台采集到的新数据， 更新有限元模型中的输入参数， 继续重复仿真流程， 直到 整个沉桩过程 顺利结束。 10.根据权利要求7所述的一种基于沉桩过程的数字孪生建模方法， 其特征在于， 若垂 直度误差在预测曲线中有超过最大容许垂直度误差的情况， 则可以根据仿 真结果得到的侧 向力预测曲线， 通过沉桩过程中的稳桩平台， 提前给定一个纠正垂直度误差的侧向力， 直到 预测曲线中的垂直度误差在最大容许垂直度误差以下。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115146361 A 3