基于模态振型的叶片位移应变测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于模态振型的叶片位移应变测量方法，所述方法包括：建立待测量叶片的三维有限元模型，基于所述三维有限元模型生成位移模态振型和应变模态振型；在所述叶片预定的测点布置测量单元，测量叶片位移u(t)和/或应变s(t)，确定叶片振动模态阶次；建立测点的位移u(t)与全场应变及位移的映射关系和/或测点的应变s(t)与全场应变及位移的映射关系以得到应变‑位移换算系数矩阵以测量叶片全场应变或位移。

【技术实现步骤摘要】
基于模态振型的叶片位移应变测量方法
本专利技术属于航空发动机、燃气轮机叶片振动测试
，特别是一种基于模态振型的叶片位移应变测量方法。
技术介绍
高速旋转叶片的完整性直接影响航空发动机整体结构的安全运行，受工作环境苛刻、载荷强交变等因素的影响，其在服役过程中极易产生振动疲劳裂纹而导致严重事故。叶片振动过大导致的高周疲劳是航空发动机叶片主要失效模式。叶片高周疲劳主要由各种气动载荷、机械载荷导致的动应力引起，在短时间内便可累计大量循环产生疲劳裂纹，特别是当叶片发生共振时动应力极易导致叶片疲劳失效。在航空发动机研制、生产过程中，为了掌握叶片振动特性，需要对叶片振动进行测量。长期以来，航空发动机叶片是通过在旋转叶片表面粘贴应变片的方式实现动应变测量，这仅能测量有限叶片有限位置动应变，其可靠性和持续工作时间较低，特别是高温环境下在涡轮叶片布置大量应变片常常只有很少的应变片可以获取有效信息，存活率极低，需要利用应变片实测的数据反算或者预测其他测点的振动信息。同时，在对叶片进行高周疲劳试验时，在大载荷且共振状态下应变片极易失效，这时候需要利用非接触式激光位移传感器测量叶端振动反算叶片关键点动应变，这也就要求建立叶端位移与最大应力点的换算关系。由于航空发动机叶片高速旋转的特点，基于叶端定时的非接触式测量成为叶片振动测试领域研究的发展方向。利用安装在靠近机匣内侧的传感器感知叶尖振动信息，进而借助有限元模型可实现特定模态振动下叶片特定位置动应变的估算。整体叶盘缺少阻尼抑制机制，叶片低阶模态被激励的同时，高阶模态也容易被激励起来。旋转叶片工作环境苛刻，复杂载荷激励下叶片的振动是多个模态叠加的结果，此时最大动应力点位置不固定，位移-应变没有固定的转换关系；当前位移-应变换算系数的普遍计算方法是建立叶片的有限元模型，通过谐响应分析计算单阶模态频率下叶尖位移与最大动应变的换算系数，尚未综合利用多模态振动叠加的信息，无法实现任意时刻多模态振动下的动应变场重构。在
技术介绍
部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本专利技术背景的理解，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。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提出一种基于模态振型的叶片位移应变测量方法，建立了非接触式(比如叶端定时)或者接触式(比如应变片)振动测量测试数据与叶片全场振动的换算关系，得到了基于模态振型的叶片位移-应变换算系数测算方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案予以实现，一种基于模态振型的叶片位移应变测量方法包括以下步骤：第一步骤中，建立待测量叶片的三维有限元模型，基于所述三维有限元模型生成位移模态振型和应变模态振型；第二步骤中，在所述叶片预定的测点布置测量单元，测量叶片位移u(t)和/或应变s(t)，确定叶片振动模态阶次；第三步骤中，建立测点的位移u(t)与全场应变及位移的映射关系和/或测点的应变s(t)与全场应变及位移的映射关系以得到应变-位移换算系数矩阵以测量叶片全场应变或位移。所述的方法中，第一步骤中，通过模态分析提取所述三维有限元模型前nm阶模态振型，其包括大小为ndof×1的位移模态振型φi和大小为2ndof×1的应变模态振型ψi，构造叶片全场位移模态振型矩阵大小为ndof×nm；构造叶片全场应变模态振型矩阵大小为2ndof×nm；其中，nm表示模态数目，i表示模态阶次，ndof表示叶片有限元模型的自由度数目，每个叶片有限元模型节点的应变包含3个正应变εx、εy、εz与3个剪应变γxy、γyz、γxz共6个应变分量，第二步骤中，测量单元包括叶端定时传感器、应变片、激光测振仪、高速摄像机、激光位移传感器或电涡流传感器，测量单元数目nd大于等于模态数目nm，将传感器测点位置和方向与有限元模型中的节点自由度一一对应，从全场位移模态振型矩阵Φ或者全场应变模态振型矩阵ψ抽取，得到测点位移模态振型Φd或者测点应变模态振型ψd，大小均为nd×nm。所述的方法中，第三步骤中，建立多模态激励下有限测点位移u(t)与全场所有节点应变S(t)的映射关系S(t)＝Tdsu(t)；其中，位移-应变换算系数矩阵计算公式为大小为2ndof×nd；表示测点位移模态振型矩阵Φd的逆。所述的方法中，第三步骤中，建立多模态激励下有限测点位移u(t)与全场所有节点位移U(t)的映射关系U(t)＝Tddu(t)；其中，位移-位移换算系数矩阵计算公式为大小为ndof×nd。所述的方法中，第三步骤中，建立多模态激励下有限测点应变s(t)与全场所有节点位移U(t)的映射关系U(t)＝Tsds(t)；其中，应变-位移换算系数矩阵计算公式为大小为ndof×nd；表示测点位移模态振型矩阵的逆。所述的方法中，第三步骤中，建立多模态激励下有限测点应变u(t)与全场所有节点应变U(t)的映射关系S(t)＝Tsss(t)；其中，应变-应变换算系数矩阵计算公式为大小为2ndof×nd。所述的方法中，第三步骤中，建立第i阶模态激励下测点j位移uj(t)与全场所有节点应变S(t)的映射关系S(t)＝Tdsuj(t)；其中，位移-应变换算系数矢量计算公式为大小为2ndof×1；其中，φj，i表示测点j第i阶位移模态振型。所述的方法中，第三步骤中，建立第i阶模态激励下测点j位移uj(t)与全场所有节点位移U(t)的映射关系U(t)＝Tdduj(t)；其中，位移-位移换算系数矢量计算公式为大小为ndof×1。所述的方法中，第三步骤中，建立第i阶模态激励下测点j应变sj(t)与全场所有节点位移U(t)的映射关系U(t)＝Tsdsj(t)；其中，应变-位移换算系数矢量计算公式为大小为ndof×1其中，ψj，i表示测点j第i阶应变模态振型。所述的方法中，第三步骤中，建立第i阶模态激励下测点j应变sj(t)与全场所有节点应变S(t)的映射关系S(t)＝Tsssj(t)；其中，应变-应变换算系数矢量计算公式为大小为2ndof×1。有益效果本专利技术提供的叶片动应变场重构方法给出了多模态激励下位移-应变、位移-位移、应变-位移、应变-应变四类换算系数矩阵的计算公式，给出了单模态激励下位移-应变、位移-位移、应变-位移、应变-应变四类换算系数矩阵的计算公式，克服了基于谐响应分析方法难以计算多模态振动下位移-应变换算系数的局限。本方明构造的位移-应变换算系数矩阵是恒定的，与频率、时间和受力情况均无关。本专利技术可应用在叶片叶端定时非接触式测振、应变片测量、高周疲劳试验中，易于实现。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，本专利技术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，而并不认为是对本专利技术的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，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是本专利技术提供的一种基于模态振型的叶片位移-应变换算系数计算方法优先实例的流程示意图；图2是一个实施例中模拟旋转叶片有限元模型；图3(a)至图3(f)是一个实施例中转子叶片的位移模态振型与应变模态振型，其中，图3(a)一弯位移振型；图3(b)一弯应变振型；图3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模态振型的叶片位移应变测量方法，所述方法包括以下步骤：第一步骤(S1)中，建立待测量叶片的三维有限元模型，基于所述三维有限元模型生成位移模态振型和应变模态振型；第二步骤(S2)中，在所述叶片预定的测点布置测量单元，测量叶片位移u(t)和/或应变s(t)，确定叶片振动模态阶次；第三步骤(S3)中，建立测点的位移u(t)与全场应变及位移的映射关系和/或测点的应变s(t)与全场应变及位移的映射关系以得到应变‑位移换算系数矩阵以测量叶片全场应变或位移。

【技术特征摘要】
1.一种基于模态振型的叶片位移应变测量方法，所述方法包括以下步骤：第一步骤(S1)中，建立待测量叶片的三维有限元模型，基于所述三维有限元模型生成位移模态振型和应变模态振型；第二步骤(S2)中，在所述叶片预定的测点布置测量单元，测量叶片位移u(t)和/或应变s(t)，确定叶片振动模态阶次；第三步骤(S3)中，建立测点的位移u(t)与全场应变及位移的映射关系和/或测点的应变s(t)与全场应变及位移的映射关系以得到应变-位移换算系数矩阵以测量叶片全场应变或位移。2.根据权利要求1所述的方法，其中，优选的，第一步骤(S1)中，通过模态分析提取所述三维有限元模型前nm阶模态振型，其包括大小为ndof×1的位移模态振型φi和大小为2ndof×1的应变模态振型ψi，构造叶片全场位移模态振型矩阵大小为ndof×nm；构造叶片全场应变模态振型矩阵大小为2ndof×nm；其中，nm表示模态数目，i表示模态阶次，ndof表示叶片有限元模型的自由度数目，每个叶片有限元模型节点的应变包含3个正应变εx、εy、εz与3个剪应变γxy、γyz、γxz共6个应变分量，第二步骤(S2)中，测量单元包括叶端定时传感器、应变片、激光测振仪、高速摄像机、激光位移传感器或电涡流传感器，测量单元数目nd大于等于模态数目nm，其中，将传感器测点位置和方向与有限元模型中的节点自由度一一对应，从全场位移模态振型矩阵Φ或者全场应变模态振型矩阵ψ抽取，得到测点位移模态振型Φd或者测点应变模态振型ψd，大小均为nd×nm。3.根据权利要求2所述的方法，其中，第三步骤(S3)中，建立多模态激励下有限测点位移u(t)与全场所有节点应变S(t)的映射关系S(t)＝Tdsu(t)；其中，位移-应变换算系数矩阵计算公式为大小为2ndof×nd；表示测点位移模态振型矩阵Φd的逆。4.根据权利要求3所述的方法，其中，第三步骤(S3...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔百杰，陈雪峰，曹宏瑞，杨志勃，孙瑜，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61