一种用于对涡轮机叶片的应力和应变场进行动态重构的方法，包括以下步骤：提供来自涡轮机叶片上的至少一个位置的一组响应测量；基于上频率极限和下频率极限对所述一组响应测量进行带通滤波（32）；由所述一组响应测量的局部最小值和局部最大值来确定（33）所述一组响应测量的上包络和下包络；由所述一组响应测量的所述上包络和所述下包络计算（34）候选固有模态函数；当所述候选固有模态函数是实际固有模态函数时，为所述涡轮机叶片提供（37）N×N振型矩阵，其中N是所述涡轮机叶片的自由度数；以及由所述实际固有模态函数和所述振型矩阵中的振型来计算（38）所述涡轮机叶片上的另一位置的响应。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】使用非接触测量和动态响应重构技术的涡轮机叶片疲劳寿 命分析 相关美国申请的交叉引用 本申请要求2012年10月5日提交的Guan等人的美国临时申请号61/710, 179"SyStem And Method For Turbine Blade Fatigue Life Analysis Using Non-Contact Measurement And Dynamical Response Reconstruction Techniques"的优先权，其内容通 过引用整体并入本文。
本申请涉及使用非接触测量和动态响应重构技术的涡轮机叶片疲劳寿命分析。
技术介绍
疲劳是当材料受到周期载荷时所发生的渐进且局部结构损坏。传统地，大部分注 意力曾经集中在这种情况，即在应力低并且变形主要是弹性的情况下需要超过IO 4次周期 以达到失效，这种情况被公知为高周疲劳情况。在这种情况下，材料性能通常由S-N曲线表 征，所述S-N曲线描绘了周期应力大小（S)与失效周期的对数尺度（N)的曲线图。S-N曲线 由对将要被表征的材料的样品的测试获得，其中在所述样品中，通过测试机施加有规律的 正弦曲线应力，所述测试机还可以对达到失效的周期数进行计数。 涡轮机叶片是涡轮机的关键部件。由于一个叶片的失效可能会损坏其它叶片并且 导致整个系统的停机这一事实，因此叶片失效可能损失巨大；因此提高叶片的耐久性可以 有助于减少涡轮机系统的寿命周期成本。涡轮机叶片的疲劳寿命是用于评估耐久性的重要 量。在涡轮机叶片疲劳寿命分析中，使用S-N曲线或基于da/dN的方法对于应力、应力和应 变场的准确和可靠的评价是很重要的，其表征作为周期的函数的裂缝长度增长。涡轮机的 设计阶段和与操作阶段两者均要求对涡轮机叶片的疲劳寿命进行评价。在设计阶段，使用 有限元模型在不同的操作条件执行数值实验以基于模型应力结果定位作为受到高应力的 热点。在操作阶段，使用接触或非接触传感器进行测量以间接估计那些热点的应力场。传 统分析可能具有监测系统可能仅监测几个表面位置的潜在局限性。传统的接触或非接触测 量可能具有整个叶片的空间分散测量，并且仅有那些具有测量数据的位置可以用于进一步 分析。 图1中显示了常规的涡轮机叶片非接触测量和疲劳分析系统和方法的工作流程。 现在参照图1，在方框10处获得尖端定时测量。用于这些测量的探针为叶片每转一圈提供 一个挠度测量。采样速率较低且与发动机旋转同步。通过知道在测量位置处的旋转速度和 半径，可以将每一个叶片的到达时间转变成挠度。存在可以被分析的两种普遍的振动类型： (1)由方框11表示的同步振动和（2)由方框12表示的非同步振动。同步振动由相对于发 动机壳体固定并通常位于流动场中的驱动器激励。这些振动的频率在相位方面关于发动机 速度被锁定。通过诸如LSMF (最小二乘法模型拟合）和SDOF (单自由度）分析的基于最小 二乘法建模技术来对同步振动加以分析。非同步振动由通常为非固定的并因此不与发动机 速度相关联的驱动器激励。进入系统的能量使转子叶片沿其固有频率模式振动。非同步振 动可以使用诸如TRAV (前进波）和IND (单独叶片）技术的基于FFT的分析技术，但是频率 通常被混淆。与有限元模型（FEM) 13结合的这些分析的输出产生振型14,所述振型14被 表示为NXN的矩阵，其中N是自由度数。可以由FEM得到的振型可以用于计算应力-挠度 比曲线15,所述应力-挠度比曲线15可用于计算测量位置16处的应力并计算用于高周期 疲劳（HCF)寿命预测的S-N曲线17。 常规的系统和方法具有一些缺陷： (1) 由于硬件的限制，所述系统和方法只能测量几个点。整个叶片的应力或应变场难以 推断。 (2) 应力和应变场分析依赖于应力-挠度比，所述应力-挠度比并不是应力和应变的物 理动态响应。 (3) 必须认真设计测量位置或传感器布局以获得疲劳寿命的准确估算。由于仅可以测 量几个位置并且必须优化所述位置，因此这引入了对传感器布局和有限元分析的组合优化 挑战。 (4) 整个叶片的应力或应变场的可视化可能是有挑战的，尤其是叶片表面下方的空间 位置。例如，在常规的系统中，不能获得基于用户选择的叶片的截面的可视化。
技术实现思路
本文所述的本专利技术的示例性实施例总体上包括用于使用分散表面位置测量数据 重构整个叶片应力和应变场的系统和方法。在重构之后，可以计算叶片几何形状的任意空 间位置的疲劳寿命以用于设计优化和基于条件的维护。 根据本专利技术的一方面，提供了一种用于对涡轮机叶片的应力和应变场进行动态重 构的方法，包括以下步骤：提供来自涡轮机叶片上的至少一个位置的一组响应测量；基于 上频率极限和下频率极限对所述一组响应测量进行带通滤波；由所述一组响应测量的局部 最小值和局部最大值来确定所述一组响应测量的上包络和下包络；由所述一组响应测量的 所述上包络和所述下包络计算候选固有模态函数；当所述候选固有模态函数是实际固有模 态函数时，为所述涡轮机叶片提供NXN振型矩阵，其中N是所述涡轮机叶片的自由度数；以 及由所述实际固有模态函数和所述振型矩阵中的振型来计算所述涡轮机叶片上的另一位 置的响应。 根据本专利技术的另一个方面，所述一组响应测量的所述上频率极限和所述下频率极 限通过对所述一组响应测量进行傅里叶变换并由峰值拾取对主频分量进行识别来加以确 定。 根据本专利技术的另一个方面，在所述涡轮机叶片上的所述至少一个位置是尖端位 置。 根据本专利技术的另一个方面，所述一组响应测量的所述上包络和所述下包络由连接 所述一组响应测量的所述局部最小值和所述局部最大值的三次样条函数来确定。 根据本专利技术的另一个方面，所述由所述一组响应测量的所述上包络和所述下包络 计算候选固有模态函数的步骤包括：计算所述一组响应测量的所述上包络和所述下包络的 平均包络；和通过从所述一组响应测量减去所述平均包络计算所述候选固有模态函数。 根据本专利技术的另一个方面，其中，如果所述候选固有模态函数不是实际固有模态 函数，则对所述候选固有模态函数执行确定上包络和下包络的以及所述计算所述上包络和 所述下包络的平均包络的步骤，并且通过从前一个候选固有模态函数减去所述前一个候选 固有模态函数的所述平均包络来计算新的候选固有模态函数。 根据本专利技术的另一个方面，所述方法包括重复所述确定所述一组响应测量的上包 络和下包络的步骤和所述由所述一组响应测量的所述上包络和所述下包络计算候选固有 模态函数的步骤，直到不能从所述一组响应测量计算出进一步的固有模态函数为止。 根据本专利技术的另一个方面，通过求解(M1K)的特征系统计算NXN振型矩阵，其中， M是表示所述涡轮机叶片的质量的矩阵，而K是表示所述涡轮机叶片的刚度的矩阵。 根据本专利技术的另一个方面，计算所述涡轮机叶片上的另一位置的响应包括计算 φ & ，其中下标6表示能够被测量的自由度，遗示测量所得不到的自由度，并且i 4:：: 表示第i个模态，示在第i个模态下第々个自由度的振型，而Ls表示在对于第# 自由度的第i个固有模态函数。 根据本专利技术的另一个方面，所述方法包括由计算出的响应计算基于S-N曲线的疲 劳寿命估计。 根据本专利技术的另一个方面，提供了一种用于对涡轮机叶片的应本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于对涡轮机叶片的应力和应变场进行动态重构的方法，包括以下步骤：提供来自涡轮机叶片上的至少一个位置的一组响应测量；基于上频率极限和下频率极限对所述一组响应测量进行带通滤波；由所述一组响应测量的局部最小值和局部最大值来确定所述一组响应测量的上包络和下包络；由所述一组响应测量的所述上包络和所述下包络计算候选固有模态函数；当所述候选固有模态函数是实际固有模态函数时，为所述涡轮机叶片提供N×N振型矩阵，其中N是所述涡轮机叶片的自由度数；以及由所述实际固有模态函数和所述振型矩阵中的振型来计算所述涡轮机叶片上的另一位置的响应。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：X关，J张，SK周，NH乌莱里希，NE金，NR特夫斯，
申请(专利权)人：西门子公司，西门子能源公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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