旋转叶片动应变FBG分布式检测及振动估计研究

摘要

以航空发动机为代表的叶片类旋转机械是工业领域一类重要装备，随着科学的发展、技术的进步、效率的提高，此类装备不断向大型化、高速化、柔性化发展。叶片作为功能转化的核心，所承受的单位负载不断增加，设计安全系数甚至达到1。这种情况下，对旋转叶片实时、在线的检测、监测手段成为提高装备性能、可靠性的关键。
　　光纤光栅(FBG)是一种新型光学应变传感器，具有质量轻、体积小、一线多点、分布式测量、抗电磁干扰、光信号可在空气中传输的特点。利用FBG传感器的这些特点，可对旋转叶片的动应变及相关参量进行测量，可满足旋转叶片在空间狭小、高速旋转、高温、高压等苛刻工况条件下的测量要求，对加深高速旋转叶片力学行为的认识，提高我国叶片类旋转机械的研究、设计、分析、加工、制造水平都具有重要意义。
　　同时，旋转也是工业装备的普遍特征，此项研究也可推广至通用装备的旋转部件测量，提高对所有具备旋转特征的工业装备的认识，对提高这些工业装备的研究、设计、分析、加工、制造水平都具有重要意义。
　　本文首先建立了航空发动机旋转叶片动应变测量的方法。介绍了FBG应变测量的原理，利用FBG光信号可在空气中传输的特性，分析了旋转叶片上FBG应变测量信号传输的几种方法，在此基础上选择C-LENS透镜法进行了深入分析，并基于分析的结果利用两个C-LENS透镜进行了实验。实验结果表明，C-LENS透镜法可在旋转轴端跳动最大0.8mm的工况下传输光信号。但C-LENS透镜法对旋转轴夹角的变化非常敏感，最终实验装置在最大4000r/min下实现了旋转部件动应变FBG检测光信号的传输。
　　随后，通过分析动应变与振动间的关系，提出通过旋转叶片动应变估计旋转叶片振动的方法。由弹性力学、动力学的基本理论，任意结构的强迫振动方程均可利用假设模态法近似求解，各阶模态可视为强迫振动方程解空间的基，则不同位置振动可用振动体各阶模态的组合或振动方程解空间的基来逼近，而不同模态在不同位置的名义应变是唯一的，从而通过动应变可估计旋转叶片的振动情况;然后，将变截面、变厚度、预扭曲的旋转叶片简化为旋转等截面梁，将旋转等截面梁简化为静态等截面粱，依次求解等截面悬臂梁、旋转等截面悬臂梁、旋转叶片动应变→振动的方程。
　　以动应变→振动理论分析和旋转信号传输的实验工作为基础，分别测试了等截面悬臂梁、旋转等截面悬臂梁、某型发动机二级动叶片旋转态的动应变，并分析了实验结果，估计了实验对象的振动。其中针对某型发动机二级动叶片旋转态的动应变的测试结果表明，存在一个频率簇，此频率簇对发动机的动态响应特性有非常大的影响，应在设计中予以充分的考虑。
　　在研究单个旋转叶片的动应变后，得益于FBG一线多点、分布式测量的优点，测量了两个叶片8个点的动应变。从多个叶片/轮毂组成的系统的角度出发，实验研究了旋转态叶片——轮毂系统的振动特性，指出由于加工误差、安装误差、磨损程度的不一致，叶片——轮毂系统不可简单视为循环对称结构，从循环对称的特征出发建立模型将导致计算结果的偏差，错误的估计安全系数，导致重大安全隐患。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文的研究背景

1．2 论文的研究目的和意义

1．2．1 研究目的

1．2．2 研究意义

1．3 国内外发展概况

1．3．1 旋转叶片动应变、振动检测方法现状

1．3．2 动应变——振动关系相关研究现状

1．3．3 旋转叶片振动局部化问题研究现状

1．4 论文的主要工作与课题支撑

第2章 旋转叶片动应变FBG检测信号传输的原理、方法及实验研究

2．1 引言

2．2 FBG传感原理

2．3 旋转叶片动应变FBG检测信号传输的原理、方法

2．3．1 旋转叶片动应变FBG检测信号传输暨光纤旋转接头的原理

2．3．2 旋转叶片动应变FBG检测信号的传输方法暨光纤旋转接头的传输损耗计算

2．4 旋转叶片动应变FBG检测信号传输的实验研究

2．4．1 光纤旋转接头信号传输损耗实验与分析

2．4．2 光纤旋转接头径向偏差传输损耗实验与分析

2．4．3 光纤旋转接头角度偏差传输损耗实验与分析

2．5 总结

第3章 基于动应变的旋转叶片振动估计方法

3．1 引言

3．2 基于动应变的静态等截面悬臂梁振动估计方法

3．2．1 静态等截面悬臂梁的纯弯曲强迫振动

3．2．2 基于动应变的静态等截面悬臂梁振动估计

3．3 基于动应变的旋转等截面梁振动估计方法

3．3．1 旋转等截面梁的几何学模型

3．3．2 旋转等截面悬臂梁的运动学模型

3．3．3 旋转等截面悬臂梁的系统动力学模型

3．3．4 旋转等截面悬臂梁的动力学模型的求解

3．3．5 基于动应变的旋转等截面悬臂梁振动估计方法

3．4 基于动应变的航空发动机旋转叶片振动估计方法

3．4．1 航空发动机旋转叶片的系统动能

3．4．2 航空发动机旋转叶片的系统势能

3．4．3 基于动应变的预扭曲、变厚度、变截面旋转叶片振动估计方法

3．5 总结

第4章 旋转等截面悬臂梁FBG动应变测试及振动研究

4．1 引言

4．2 静态、旋转等截面悬臂梁的仿真研究

4．2．1 静态等截面悬臂梁的仿真

4．2．2 旋转等截面悬臂梁的仿真

4．3 静态等截面悬臂梁FBG动应变测量及振动研究

4．3．1 静态等截面悬臂梁FBG动应变测量结果分析

4．3．2 静态等截面悬臂梁FBG动应变测量的振动估计

4．4 旋转等截面悬臂梁动应变测量及振动研究

4．4．1 旋转等截面悬臂梁FBG动应变测量结果

4．4．2 基于FBG动应变测量的旋转等截面悬臂梁振动估计

4．5 总结

第5章 航空发动机旋转叶片FBG动应变测试及振动研究

5．1 引言

5．2 航空发动机旋转叶片的有限元分析

5．3 航空发动机旋转叶片FBG动应变测量系统

5．4 航空发动机旋转叶片FBG动应变测量结果分析

5．4．1 航空发动机旋转叶片FBG动应变测量结果分析——单点数据分析

5．4．2 航空发动机旋转叶片FBG动应变测量结果分析——4点数据分析暨叶片应变场分析

5．4．3 基于FBG动应变测量的航空发动机旋转叶片振动估计

5．5 总结

第6章 失谐叶片——轮毂系统动应变、振动实验研究

6．1 引言

6．2 周期结构的动力学模型

6．3 调谐循环周期结构(调谐叶片——轮毂系统)的仿真研究

6．4 失谐循环周期结构(失谐叶片——轮毂系统)的仿真研究

6．5 旋转失谐循环周期结构的(失谐叶片——轮毂系统)的动应变、振动实验研究——8点数据分析

6．6 总结

第7章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及研究成果

攻读博士学位期间参与的项目

致谢