一种行波激励作用下整体叶盘节径运动测试装置及方法

摘要

一种行波激励作用下整体叶盘节径运动测试装置，包括工控机、模拟输出板卡、板卡机箱、功率放大器、非接触式磁场激振器、模态力锤、加速度传感器、数据采集分析仪和上位机、整体叶盘，通过装置的配合，对整体叶盘进行模态振动测试；整个装置中工控机中行波信号控制程序自行开发，灵活可控，模拟输出板卡及板卡机箱高效集成，操作简单，通过加速度传感器采集的振动响应数据还可用于研究处于共振状态的整体叶盘振动响应特性，采用非接触式磁场激振器，与常规柔性杆激振器相比，该激振器不会向系统引入附加质量和附加刚度，提高了测试的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及振动测试技术领域，具体是一种行波激励作用下整体叶盘节径运动测试装置及方法。

背景技术

航空发动机叶盘结构的轻量化和高速化，使得整体叶盘这种新型结构得到了广泛的应用，与传统榫接叶盘相比，整体叶盘的叶片和轮盘通过先进的制造工艺被制成一体，盘体结构简单，重量变轻，性能更加优越。

整体叶盘处于旋转工作状态时受力情况非常复杂，因此通常将整体叶盘所受真实激励称为行波激励，行波激励通常定义为转子旋转通过具有相等间隔的压力扰动时所受到的激励，行波激励在实验室内可由对整体叶盘各个叶片顺序施加等相位差的正弦激励来模拟，同时获得行波激励下整体叶盘的模态振型及节径运动规律对于该类结构件的动力学设计以及振动抑制都有重要的意义。

目前，辨识整体叶盘模态振型的方法主要是通过实验模态分析理论提供的方法，即通过测试各响应点的频响函数来辨识模态振型，其中采用力锤或电磁激振器激励测试是最常用的方法，然而，由于整体叶盘通常固有频率间隔密集、模态之间耦合严重，因而传统的测试模态振型的方法，测试精度不高，结果不可靠，同时，模态测试对实验人员的操作技能有着较高的要求，另外，模态测试实验只能单纯地给出模态振型图，并不能反映出节径的变化规律。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种行波激励作用下整体叶盘节径运动测试装置及方法，能够提高模态振型测辨识精度和效率，其技术方案：

一种行波激励作用下整体叶盘节径运动测试装置，包括工控机、模拟输出板卡、板卡机箱、功率放大器、非接触式磁场激振器、模态力锤、加速度传感器、数据采集分析仪和上位机、整体叶盘；

所述工控机的以太网输出端连接板卡机箱的以太网输入端，所述模拟输出板卡置于板卡机箱的插槽内，所述模拟输出板卡的输出端连接功率放大器的输入端，所述功率放大器的输出端连接非接触式磁场激振器的输入端，所述非接触式磁场激振器固定安装于整体叶盘下方，所述加速度传感器粘贴于整体叶盘的叶片上表面，所述加速度传感器的输出端连接数据采集分析仪的输入端，所述数据采集分析仪的以太网输出端连接上位机，所述模态力锤置于整体叶盘上方，所述模态力锤的冲击端接触整体叶盘上表面，所述模态力锤的电控输入端电连接数据采集分析仪。

所述工控机内置LabVIEW程序编辑器，所述工控机自行开发程序用作行波信号发生器，产生并控制行波激励信号。

所述模拟输出板卡与板卡机箱对工控机输出的行波激励信号转为模拟信号输出，所述板卡机箱输出的模拟信号传输出至功率放大器。

所述功率放大器将输入的模拟信号进行放大为高电压激励信号，所述高电压激励信号加载到非接触式磁场激振器。

所述非接触式磁场激振器根据高电压激励信号产生交变磁场，所述交变磁场激励整体叶盘使其发生稳态振动。

所述模态力锤置于整体叶盘上方，所述模态力锤锤击整体叶盘进行模态测试。

所述加速度传感器用于采集整体叶盘的振动响应信号。

所述数据采集分析仪用于实时记录和分析加速度传感器获取整体叶盘的振动响应信号。

所述上位机用于对整体叶盘的振动响应信号进行处理，辨识整体叶盘的模态振型和节径运动规律。

采用前述的一种行波激励作用下整体叶盘节径运动测试装置对整体叶盘进行节径运动测试的方法，包括如下步骤：

步骤1：工控机编写信号发生器程序，使其可以产生并控制多通道行波激励信号；

步骤2：调节功率放大器使各通道增益相同，同时将非接触式磁场激振器通过专用夹具固定在整体叶盘叶尖测点下方一定距离；

步骤3：在工控机编写的信号发生器程序中设置各通道激振信号参数；

步骤4：对整体叶盘进行模态测试，获得整体叶盘各阶固有频率，而后上位机对整体叶盘进行有限元模态分析，根据模态测试结果修正有限元模型，直至模态测试结果和模态分析结果吻合；

步骤5：根据整体叶盘各阶固有频率值确定扫频测试范围，对整体叶盘进行扫频激励测试，得到整体叶盘的各阶共振频率：

步骤5.1：在工控机信号发生器中设置各通道信号参数和扫频激励参数；

步骤5.2：启动功率放大器和非接触式磁场激振器对整体叶盘进行扫频激励测试；

步骤5.3：加速度传感器实时采集整体叶盘的振动响应信号并输出至数据采集分析仪；

步骤5.4：数据采集分析仪实时记录并处理整体叶盘的振动响应信号，并输出至上位机；

步骤5.5：上位机根据整体叶盘的振动响应信号获取整体叶盘各阶共振频率；

步骤6：根据步骤5获得的整体叶盘各阶共振频率，对整体叶盘进行定频阶次激励测试：

步骤6.1：在工控机信号发生器中设置各通道激振信号参数，根据激励阶次设置各激振信号之间相位差；

步骤6.2：启动功率放大器和非接触式磁场激振器对整体叶盘定频激励，使其处于稳态振动状态；

步骤6.3：对叶片进行编号，从1号2号叶片叶尖两个测点开始测试，按照叶片编号依次进行12次测试，完成一周测点的振动响应测试，同时加速度传感器获得整体叶盘一周测点的振动响应信号并通过数据采集分析仪上传至上位机；

步骤6.4：径向向内移动两个加速度传感器，从而完成多周测点振动响应信号拾取，同时加速度传感器获得整体叶盘多周测点的振动响应信号并通过数据采集分析仪实时传给上位机；

步骤6.5：改变激励阶次，重复步骤6.1～步骤6.4，完成多个行波激励下整体叶盘多周测点振动响应信号拾取；

步骤7：根据整体叶盘表面多周测点的振动响应数据，上位机绘制出整体叶盘在行波激励作用下的模态振型，并辨识节径运动规律；

步骤7.1：上位机对整体叶盘表面多周测点的振动响应数据进行时域响应信号降噪处理和加窗处理；

步骤7.2：上位机对时域响应信号降噪处理后的数据进行提取处理；

步骤7.3：根据整体叶盘的尺寸参数、测点数量及测点布置情况，上位机绘制出整体叶盘测点的线框模型；

步骤7.4：上位机将各测点振动响应数据加载到各自对应的线框模型测点坐标上，绘制出整体叶盘的模态振型，通过对比模态振型节径变化辨识节径运动规律。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)工控机中行波信号控制程序自行开发，灵活可控，模拟输出板卡及板卡机箱高效集成，操作简单；

(2)通过加速度传感器采集的振动响应数据还可用于研究处于共振状态的整体叶盘振动响应特性；

(3)采用非接触式磁场激振器，与常规柔性杆激振器相比，该激振器不会向系统引入附加质量和附加刚度，提高了测试的准确性。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的行波激励作用下的电信号连接框图；

图2为本发明一种实施方式的行波激励作用下的整体叶盘节径运动测试装置的装置组成图示意图；

图3为本发明一种实施方式的行波激励作用下的整体叶盘节径运动测试流程图；

图4为本发明一种实施方式的行波激励作用下的通过有限元分析获得的整体叶盘模态振型图；

图5为本发明一种实施方式的行波激励作用下的信号发生器前面板；

图6为本发明一种实施方式的行波激励作用下的信号发生器第一部分工作流程框图；

图7为本发明一种实施方式的行波激励作用下的信号发生器第二部分工程流程框图；

图8为本发明一种实施方式的行波激励作用下的信号发生器第三部分工程流程框图；

图9为本发明一种实施方式的以192Hz为激振频率零阶次定频激励整体叶盘三维瀑布图；

图10为本发明一种实施方式的以192Hz为激振频率零阶次定频激励整体叶盘振动时域信号图；

图11为本发明一种实施方式的以192Hz为激振频率零阶次定频激励整体叶盘测试获得的模态振型图。

图中：1、上位机，2、数据采集分析仪，3、工控机，4、整体叶盘，5、功率放大器、6、模拟输出板卡，7、板卡机箱，8、非接触式磁场激振器，9、加速度传感器，10、模态力锤。

具体实施方式

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

本实施例以整体叶盘为实施对象，其尺寸参数如表1所示：

表1整体叶盘尺寸参数(单位:m)

如图1至图11示，本发明提供了一种行波激励作用下整体叶盘节径运动测试装置，包括工控机3、模拟输出板卡6、板卡机箱7、功率放大器5、非接触式磁场激振器8、模态力锤10、加速度传感器9、数据采集分析仪2和上位机1，其中工控机3采用高性能笔记本电脑，模拟输出板卡6采用NI-9263输出板卡，其为一种同步更新模拟输出模块，板卡机箱7采用 NIcDAQ-9189机箱，其为小型传感器测量系统设计的总线供电以太网机箱，在使用过程中直接将板卡插入机箱即可组成模拟输出模块，功率放大器5采用型号为YE5876功率放大器，通过BNC输入输出接口与非接触式磁场激振器8和模拟输出板卡6连接，最大功率800W，共12 路输入输出通道，可提供稳定的信号增益，非接触式磁场激振器8采用型号为YE15401非接触式磁场激振器，最大峰值激振力20N，以施加磁场力的形式对整体叶盘4进行非接触式激振，模态力锤10采用型号为PCB 086D05冲击力锤，测试范围为1Hz～22kHz，灵敏度为0.23mV/N，用于采用锤击法对整体叶盘4进行模态测试，加速度传感器9采用型号为B&K 4517加速度传感器，其通过带有UNF的电缆与数据采集分析仪2连接，其灵敏度为1.02mV/m·s^-2，通过胶粘剂安装在被测试件上，测试频率范围为1Hz～20kHz，质量仅0.65克，对测试结果几乎不造成影响，数据采集分析仪2采用的是型号为LMS>

所述工控机3的以太网输出端连接板卡机箱7的以太网输入端，将产生的行波激励信号进行传递，所述模拟输出板卡6置于板卡机箱7的插槽内，对模拟输出板卡6进行固定安装，同时通过模拟输出板卡6对输入的行波激励信号进行模拟化处理，所述模拟输出板卡6的输出端连接功率放大器5的输入端，将模拟化的信号进行导出至功率放大器5中，所述功率放大器5的输出端连接非接触式磁场激振器8的输入端，功率放大器5对输入的模拟信号进行放大，保证非接触式磁场激振器8产生足够的交变磁场，所述非接触式磁场激振器8固定安装于整体叶盘4下方，其非接触式靠近整体叶盘4的叶片叶尖，所述加速度传感器9粘贴于整体叶盘4的叶片上表面，对叶片的振动产地的加速度进行检测，并将检测的信号传导至数据采集分析仪2，所述加速度传感器9的输出端连接数据采集分析仪2的输入端，对输入的信号进行采集和分析，所述数据采集分析仪2的以太网输出端连接上位机1，将分析后的数据进行整合处理，，所述模态力锤10置于整体叶盘4上方，所述模态力锤10的冲击端接触整体叶盘4上表面，所述模态力锤10的电控输入端电连接数据采集分析仪2，进行模态测试。

所述工控机3内置LabVIEW程序编辑器，其为编写行波信号发生器的基础，所述工控机 3自行开发程序用作行波信号发生器，产生并控制行波激励信号。

所述模拟输出板卡6与板卡机箱7对工控机3输出的行波激励信号转为模拟信号输出，所述板卡机箱7输出的模拟信号传输出至功率放大器5。

所述功率放大器5将输入的模拟信号进行放大为高电压激励信号，所述高电压激励信号加载到非接触式磁场激振器8。

所述非接触式磁场激振器8根据高电压激励信号产生交变磁场，所述交变磁场激励整体叶盘4使其发生稳态振动。

所述模态力锤10置于整体叶盘4上方，所述模态力锤10锤击整体叶盘4进行模态测试。

所述加速度传感器9用于采集整体叶盘4的振动响应信号。

所述数据采集分析仪2用于实时记录和分析加速度传感器9获取整体叶盘4的振动响应信号。

所述上位机1用于对整体叶盘4的振动响应信号进行处理，辨识整体叶盘4的模态振型和节径运动规律。

采用前述的一种行波激励作用下整体叶盘节径运动测试装置对整体叶盘4进行节径运动测试的方法，包括如下步骤：

步骤1：工控机3编写信号发生器程序，使其可以产生并控制多通道行波激励信号；

步骤2：调节功率放大器5使各通道增益相同，同时将非接触式磁场激振器8通过专用夹具固定在整体叶盘4叶尖测点下方一定距离；

步骤3：在工控机3编写的信号发生器程序中设置各通道激振信号参数；

步骤4：对整体叶盘4进行模态测试，获得整体叶盘4各阶固有频率，而后上位机1对整体叶盘4进行有限元模态分析，根据模态测试结果修正有限元模型，直至模态测试结果和模态分析结果吻合；

步骤5：根据整体叶盘4各阶固有频率值确定扫频测试范围，对整体叶盘4进行扫频激励测试，得到整体叶盘4的各阶共振频率：

步骤5.1：在工控机3信号发生器中设置各通道信号参数和扫频激励参数；

步骤5.2：启动功率放大器5和非接触式磁场激振器8对整体叶盘4进行扫频激励测试；

步骤5.3：加速度传感器9实时采集整体叶盘4的振动响应信号并输出至数据采集分析仪2；

步骤5.4：数据采集分析仪2实时记录并处理整体叶盘4的振动响应信号，并输出至上位机1；

步骤5.5：上位机1根据整体叶盘4的振动响应信号获取整体叶盘4各阶共振频率；

步骤6：根据步骤5获得的整体叶盘4各阶共振频率，对整体叶盘4进行定频阶次激励测试：

步骤6.1：在工控机3信号发生器中设置各通道激振信号参数，根据激励阶次设置各激振信号之间相位差；

步骤6.2：启动功率放大器5和非接触式磁场激振器8对整体叶盘4定频激励，使其处于稳态振动状态；

步骤6.3：对叶片进行编号，从1号2号叶片叶尖两个测点开始测试，按照叶片编号依次进行12次测试，完成一周测点的振动响应测试，同时加速度传感器9获得整体叶盘4一周测点的振动响应信号并通过数据采集分析仪2上传至上位机1；

步骤6.4：径向向内移动两个加速度传感器9，从而完成多周测点振动响应信号拾取，同时加速度传感器9获得整体叶盘4多周测点的振动响应信号并通过数据采集分析仪2实时传给上位机1；

步骤6.5：改变激励阶次，重复步骤6.1～步骤6.4，完成多个行波激励下整体叶盘4多周测点振动响应信号拾取；

步骤7：根据整体叶盘4表面多周测点的振动响应数据，上位机1绘制出整体叶盘4在行波激励作用下的模态振型，并辨识节径运动规律；

步骤7.1：上位机1对整体叶盘4表面多周测点的振动响应数据进行时域响应信号降噪处理和加窗处理；

步骤7.2：上位机1对时域响应信号降噪处理后的数据进行提取处理；

步骤7.3：根据整体叶盘4的尺寸参数、测点数量及测点布置情况，上位机1绘制出整体叶盘4测点的线框模型；

步骤7.4：上位机1将各测点振动响应数据加载到各自对应的线框模型测点坐标上，绘制出整体叶盘4的模态振型，通过对比模态振型节径变化辨识节径运动规律。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。