一种转子叶片动应变测量数据一致性评估方法

摘要

本发明公开了一种转子叶片动应变测量数据一致性评估方法，其中，建立转子叶片有限元模型，在不同转速下，根据所述有限元模型模态分析以提取应变模态振型；基于应变模态振型确定转子叶片应变测点的位置与数目；转子叶片在测点的位置粘贴应变片以测量转子叶片动应变；通过滑环引电器引出应变信号，获取转子叶片的测点的动应变结果；构造转子叶片测点的动应变与全场动应变的传递矩阵；逐次删除某一个测点的动应变，基于剩余测点的动应变反演重构得到转子叶片全场动应变，计算重构结果与实验测量结果的相对误差和相关性；基于相对误差和相关性一致性评估动应变测量数据。

说明书

技术领域

本发明属于旋转机械转子叶片接触式动应变测量技术领域，特别是一种转子叶片动应变测量数据一致性评估方法。

背景技术

航空发动机作为复杂的旋转机械，多部件在工作过程中一方面承受着极大的离心力和热负荷，尤其在启动和停车的瞬变过程中，极大的热梯度使其承受着高量级的应力/应变水平；另一方面，承受着流场中非定常流体产生的交变载荷和转子振动引起的机械交变载荷，极易产生大应力。各部件在高量级的应力/应变水平下，极易发生故障，从而导致发动机或飞机严重事故。因此，获取航空发动机各部件在工作状态下真实的应力水平是航空发动机研制中必须取得参数。航空发动机动应力测试技术是发动机研制中的关键技术之一，运行工况下发动机叶片的应力应变水平可用于叶片寿命预测和失效判定，用以指导发动机停机与维修。目前国内对航空发动机叶片的应力/应变测量，最常用的方法是在叶片表面粘贴应变片实现。采用应变片结合遥测技术或滑环引电器实现旋转叶片的测量。而由于叶片高速旋转的复杂工况和应变片本身的局限性，应变片在测量过程中极易失效，难以进行动应力的有效测量，造成测量数据不确定性，难以反应叶片真实应力水平。因此，对应变片失效性判定和测量结果的有效评估，对获得航空发动机叶片真实应力水平和振动参数非常关键。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种转子叶片动应变测量数据一致性评估方法，本发明解决了应变片在测量过程因失效造成测量数据不准确，难以反应叶片真实应力水平的难题，具备判定叶片粘贴应变片有效性的能力，完成应变测量数据一致性评估，同时还可以测量获取转子叶片全场动应变。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种转子叶片动应变测量数据一致性评估方法包括以下步骤：

第一步骤中，建立转子叶片有限元模型，在不同转速下，根据所述有限元模型模态分析以提取应变模态振型；

第二步骤中，基于应变模态振型确定转子叶片应变测点的位置与数目；

第三步骤中，转子叶片应变测点的位置粘贴应变片以测量转子叶片动应变；

第四步骤中，通过滑环引电器引出应变信号，获取转子叶片的所述测点的动应变；

第五步骤中，构造转子叶片测点的动应变与全场动应变的传递矩阵；

第六步骤中，逐次删除某一个测点的动应变，基于剩余测点的动应变反演重构得到转子叶片全场动应变，计算重构结果与实验测量结果的相对误差和相关性；

第七步骤中，基于相对误差和相关性一致性评估动应变测量数据。

所述的方法中，第一步骤中，根据转子叶片的尺寸参数建立转子叶片三维几何模型，有限元划分网格建立转子叶片的有限元模型，在不同转速下根据所述有限元模型模态分析以提取应变模态振型。

所述的方法中，第二步骤中，提取所述有限元模型的前N

所述的方法中，第二步骤中，基于所述转子叶片全场应变模态振型确定转子叶片粘贴应变片的测点的位置及其方向，前N

所述的方法中，第三步骤中，所述测点的位置胶粘贴箔式应变片。

所述的方法中，第四步骤中，转子叶片达到共振时采集每个转子叶片各个测点的动应变

所述的方法中，第五步骤中，基于转子叶片全场应变模态振型构造应变模态振型的测点选择矩阵

所述的方法中，第六步骤中，

初始时刻，迭代次数iter＝1，删除一个测点的动应变，

S601、选择删除D＝iter号测点，利用剩余N

S602、剩余N

S603、计算所述重构得到的所述动应变与测量的所述动应变的相对误差，

S604、计算所述重构得到的所述动应变与测量的所述动应变的相关性

S605、选择删除第D号测点的动应变实测结果，若被删除测点号D等于所有测点总数N

所述的方法中，第七步骤包括，

S701、根据相对误差和相关性相对误差计算所有测点反演重构结果与测量结果相对误差矩阵E＝[E

S702、基于所述相对误差矩阵E和量化相关性相对误差矩阵R计算得到所有应变片测量结果有效性判定三维直方图H，

S703、根据直方图H，基干每个应变测点实测结果与反演重构结果相对误差的在整个直方图里数值占比判定转子叶片粘贴应变片的有效性，完成应变测量数据一致性评估。

转子叶片的共振频率随着转速的变化而发生改变，当叶片发生某阶共振时，转子叶片测量的应变振幅达到极值。转子叶片在共振态条件下，基于模态降阶与模态扩展理论，构造少测点应变响应与全场动应变的传递矩阵，基于模态振型矩阵，在模态空间中建立应变与应变响应的映射关系，实现少数测点应变响应到全场动应的重构。其中，少数测点的应变测量结果直接影响转子叶片全场动应变的准确性，为此，本发明基于转子叶片全场动应变重构，依据计算所有测点应变反演重构结果与实测应变的相对误差和相关性，构造转子叶片应变片测试数据一致性评估指标，最终完成应变测量数据一致性评估。通过逐一删除某一测点的动应变，用剩余测点的动应变重构叶片全场动应变，计算重构结果与实验测量结果的相对误差和相关性，构造转子叶片应变片测试数据一致性评估指标，最终完成应变测量数据一致性评估。同时，本发明也能够实现未测点的动应变重构。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是本发明提供的一种转子叶片动应变测量数据一致性评估的方法的流程示意图；

图2(a)至图2(b)是一个实施例中建立的转子叶片模型，其中，图2(a)为转子叶片三维几何模型；图2(b)为有限元网格划分模型；

图3(a)至图3(d)是叶片前四阶应变模态振型图，其中，图3(a)第一阶应变模态振型，图3(b)第二阶应变模态振型，图3(c)第三阶应变模态振型，图3(d)第四阶应变模态振型；

图4是一个实施例中转子叶片坎贝尔图；

图5(a)至图5(b)是一个实施例中转子叶片测点的位置，其中，图5(a)叶背部应变测点选择位置；图5(b)叶盆部应变测点选择位置；

图6(a)至图6(d)是一个实施例中转子叶片应变场重构结果与实验结果的比较，其中，图6(a)1号测点重构与真实应变比较结果；图6(b)3号测点重构与真实应变比较结果；图6(c)5号测点重构与真实应变比较结果；图6(d)7号测点重构与真实应变比较结果；

图7(a)至图7(f)是一个实施例中所有应变片测量结果有效性判定三维直方图，图7(a)表示1号测点失效转子叶片应变场重构与实测相对误差直方图，图7(b)表示1号测点失效转子叶片应变场重构与实测相关性相对误差直方图；图7(c)表示7号测点失效转子叶片应变场重构与实测相对误差直方图，图7(d)表示7号测点失效转子叶片应变场重构与实测相关性相对误差直方图；图7(e)表示1号测点和7号测点同时失效转子叶片应变场重构与实测相对误差直方图，图7(f)表示1号测点和7号测点同时失效转子叶片应变场重构与实测相关性相对误差直方图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至附图7(f)更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

转子叶片动应变测量数据一致性评估方法包括，

第一步骤S100中，建立转子叶片有限元模型，在不同转速下，根据所述有限元模型模态分析以提取应变模态振型；

第二步骤S200中，基于应变模态振型确定转子叶片应变测点的位置与数目

第三步骤S300中，转子叶片应变测点的位置粘贴应变片以测量转子叶片动应变；

第四步骤S400中，通过滑环引电器引出应变信号，获取转子叶片的所述测点的动应变；

第五步骤S500中，构造转子叶片测点的动应变与全场动应变的传递矩阵；

第六步骤S600中，逐次删除某一个测点的动应变，基于剩余测点的动应变反演重构得到转子叶片全场动应变，计算重构结果与实验测量结果的相对误差和相关性；

第七步骤S700中，基于相对误差和相关性一致性评估动应变测量数据。

本发明基于转子叶片全场动应变重构，依据计算所有测点应变反演重构结果与实测应变的相对误差和相关性，构造转子叶片应变片测试数据一致性评估指标，最终完成应变测量数据一致性评估。具体通过逐一删除某一测点的动应变，用剩余测点的动应变重构叶片全场动应变，计算重构结果与实验测量结果的相对误差和相关性，构造转子叶片应变片测试数据一致性评估指标，能够快速准确完成应变测量数据一致性评估，同时，本发明也能够实现未测点的动应变重构。本发明提供的转子叶片动应变测量数据一致性评估方法计算过程简单，容易实现。

为了更好地理解，图1为一个转子叶片动应力重构方法工作流程图，如图1所示，一种转子叶片动应变测量数据一致性评估的方法包括以下步骤：

第一步骤中，建立转子叶片三维有限元模型，开展考虑转速影响的转子叶片模态分析；

第二步骤中，提取所还转子叶片有限元模型的应变模态振型，确定叶片应变片测点的位置与数目；

第三步骤中，开展高速旋转叶片动应变测量实验，转子叶片与叶片有限元模型对应测点的位置粘贴应变片；

第四步骤中，利用滑环引电器引出应变信号，获取转子叶片对应测点的动应变；

第五步骤中，构造转子叶片测点的动应变与全场动应变的传递矩阵；

第六步骤中，逐次删除某一个测点的动应变，基于剩余测点的动应变反演重构得到转子叶片全场动应变，计算重构结果与实验测量结果的相对误差和相关性；

第七步骤中，基于相对误差和相关性一致性评估动应变测量数据。

所述方法中，第一步骤中，根据转子叶片尺寸参数建立叶片三维几何模型，导入有限元软件划分网格，建立转子叶片有限元模型。考虑转速影响，在不同转速下对叶片进行模态分析，得到转子叶片应变模态振型。

所述方法中，第二步骤中，提取转子叶片有限元模型的前N

所述方法中，第三步骤中，根据上述有限元分析确定的测点的位置与方向，实验模型对应测点的位置用胶粘贴箔式应变片。应变片测量的应变信号接通滑环引电器引出，在滑环引电器的静止端，通过使用信号调理电路获取应变测量结果。同时，为了避免滑环引电器由于摩擦生热而导致信号输送的不稳定，在滑环引电器上增加冷却系统进行降温。

所述方法中，第四步骤中，开展转子叶片升降速实验，确定转子叶片达到共振的转速P。设定高速转子叶片实验转速为P，实验叶片达到共振时采集每个叶片各个测点的动应变

所述方法中，第五步骤中，基于转子叶片全场应变模态振型构造应变模态振型的测点选择矩阵

所述方法中，第六步骤中，(1)初始时刻，迭代次数iter＝1，计算反演重构结果与实验测量结果相对误差E；

(2)选择删除D＝iter号测点，利用剩余N

(3)利用上述剩余N

(4)根据上述所述重构得到全场的动应变，计算所述重构得到的所述动应变与测量的动应变的相对误差，

(5)根据上述所述重构得到全场的动应变，计算所述重构得到的所述动应变与测量的动应变的相关性

(6)选择删除第D号测点的动应变实测结果，若被删除测点号D等于所有测点总数N

所述方法中，第七步骤中，根据相对误差和相关性相对误差计算所有测点反演重构结果与实验测量结果相对误差矩阵E＝[E

在一个实施例中，应变片粘贴位置避开应变梯度较大区域，即选择粘贴在应变次大点。

在一个实施例中，应变片测量的应变信号接通滑环引电器引出，在滑环引电器的静止端，通过使用信号调理电路获取应变测量结果。同时，为了避免滑环引电器由于摩擦生热而导致信号输送的不稳定，在滑环引电器上增加冷却系统进行降温。

为了进一步理解本发明，下面结合附图1至图7(f)及具体实施例对本发明作进一步描述，应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而本发明的应用对象不局限下述示例。

图1是本发明转子叶片动应变测量数据一致性评估方法的流程图，建立转子叶片三维有限元模型，开展考虑转速影响的转子叶片模态分析；提取所述转子叶片有限元模型的应变模态振型，确定叶片粘贴应变片的关键测点的位置与数目；开展高速旋转叶片动应变测量实验，转子叶片与叶片有限元模型对应关键测点的位置粘贴应变片；利用滑环引电器引出应变信号，获取转子叶片对应测点的动应变；构造转子叶片有限测点应变响应结果与全场动应变的传递矩阵；逐一删除某一测点的动应变，用剩余测点的动应变重构叶片全场动应变，计算重构结果与实验测量结果的相对误差和相关性；构造转子叶片应变片测试数据一致性评估指标，最终完成应变测量数据一致性评估。

具体步骤如下：

1)根据转子叶片尺寸参数建立叶片三维几何模型，导入有限元软件划分网格，建立转子叶片有限元模型。根据实验转子叶片设计的尺寸参数，利用三维建模软件建立模拟转子的几何模型，叶片长50mm，厚度1.7mm，宽20mm。然后通过有限元数值仿真软件完成模态分析，模拟转子模型及其有限元网格划分结果如图2(a)至图2(b)所示。由于模拟转子具有循环对称结构，故可取1/5扇区进行分析，选择SOLID186实体单元，模型划分网格后共有2904个单元和15301个节点数。转子叶片旋转半径为82mm，其采用的材料为高温合金GH4169，密度8240kg/m3，泊松比0.3，弹性模量1.95GPa。

考虑转速影响，在不同转速下对叶片进行模态分析，得到转子叶片应变模态振型。对于类似模拟转子的轴对称结构，在ANSYS有限元分析软件中，通过循环对称分析，将模拟转子盘内圆柱面施加固定约束，再通过模态分析得到模拟转子的前四阶应变模态振型和前四阶固有频率，其中，前四阶转子应变振型如图3(a)至图3(d)所示，叶片的振动模态分别为一弯、一扭、二弯、弯扭复合振动。考虑到模拟转子进行实验时的高速旋转状态，故在模拟转子上施加离心力作为外部载荷，设定其转速随时间变化，提取模拟转子在不同转速下的各阶模态频率并绘制成坎贝尔图，如图4所示。

2)根据上述坎贝尔图，转子叶片在转速P＝13000RPM时达到共振，即在13000RPM时与转速三倍频(3EO)相交，叶片的共振应变的振幅达到最大值，之后随着共振频率点的远离又逐步衰减，利用ANSYS提取转子叶片在转速P＝13000RPM达到共振时的模态参数；其中包括模态固有频率f＝631.7Hz、大小为17424×1的应变模态振型ψ

根据转子叶片模态分析的应变振型分布，确定转子叶片应变测点的位置与方向。根据转子叶片所关注的前N

3)根据有限元结果确定的测点的位置与方向，利用SHEEL单元在叶片相应区域建立薄片模型，方向沿叶片径向，用来模拟真实应变片，分别提取测点对应的应变模态振型ψ

假设转子叶片粘贴的应变片1号(1#)与7号(7#)，因粘贴安装工艺等问题导致应变片失效，未能测量采集到应变或者测量的结果极小，即s

4)根据上述所述测点应变模态矩阵ψ

5)(1)初始时刻，迭代次数iter＝1，计算反演重构结果与实验测量结果相对误差E；

(2)选择删除D＝iter号测点，利用剩余8个测点叶片动应变响应与全场转子叶片应变模态振型构造传递矩阵T

(3)利用上述剩余8个测点叶片动应变响应S

(4)根据上述所述重构得到全场的动应变，计算相对应的关键测点的位置重构结果与实验测量结果相对误差E

(5)因为选择的删除的1号测点等于所有测点数9，即1＜9，迭代次数iter＝iter+1＝2，循环进入(2)。

6)迭代循环9次，根据上述所示计算所有测点反演重构结果与实验测量结果相对误差矩阵E＝[E

7)根据图7(a)至图7(f)所示，叶片粘贴的应变片1号与7号测点应变重构结果与实测相对误差和相关性相对误差在整个直方图里数值占比太明显，由此判断应变片1号与7号存在失效，测量得到的应变不准确。

因此，本发明提供转子叶片动应变测量数据一致性评估方法，基于模态降阶与模态扩展理论，构造少测点应变响应与全场动应变的传递矩阵，基于模态振型矩阵，在模态空间中建立应变与应变响应的映射关系，实现少数测点应变响应到全场动应的重构。其中，少数测点的应变测量结果直接影响转子叶片全场动应变的准确性，利用转子叶片全场动应变重构，依据计算所有测点应变反演重构结果与实测应变的相对误差和相关性，构造转子叶片应变片测试数据一致性评估指标，最终完成应变测量数据一致性评估。同时，实际实验中，可以使用无线遥测技术或滑环引电器获取叶片应变信息，叶片固有频率对转速较为敏感，使用该方法判定叶片粘贴应变片有效性，完成应变测量数据一致性评估，进一步提高转子叶片应变场重构精度。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。