一种旋转叶片动应变场测量方法及其系统技术方案

本发明专利技术公开了一种旋转叶片动应变场测量方法及其系统，所述方法包括以下步骤：建立待测量旋转叶片的三维有限元模型，提取所述三维有限元模型的模态参数；在所述旋转叶片上布置多个应变片，确定所述应变片测点数目、位置和方向；构造应变片测点动应变与全场动应变的转换矩阵；基于所述应变片测量所述旋转叶片相应位置动应变，所述动应变基于所述转换矩阵经由模态处理得到所述旋转叶片任意时刻、任意位置及任意方向的动应变。本发明专利技术提供的方法仅利用极少测点便可实现旋转叶片整体动应变场的测量，不仅可实现叶片表面动应变的测量，还可以实现叶片内部节点正应变、剪应变的测量，计算过程简单，测量精度高，易于在线测量，节约大量应变片。

【技术实现步骤摘要】
一种旋转叶片动应变场测量方法及其系统
本专利技术属于航空发动机、燃气轮机旋转叶片振动测试
，特别是一种旋转叶片动应变场测量方法及其系统。
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，需要对叶片动应变/应力进行测量；在发动机使用过程中，需要对发动机叶片健康状况进行实时监测、预警和诊断。通过对叶片动应变进行测量，可确定叶片在发动机工作转速范围内是否存在共振的危险；测量叶片动应力与发动机工作状态之间的特性关系，可确定叶片在不同状态下能否可靠工作。通过在旋转叶片表面粘贴应变片，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。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旋转叶片动应变场测量方法及其系统，解决了应变片仅能测量叶片有限位置动应变、不能测量叶片整体应变场的难题，并具备同时测量旋转叶片表面与内部正应变、剪应变的优势。不同的振动模态对叶片响应的贡献量有较大差别，一般前若干阶模态对系统振动贡献较大，其他模态(主要是高阶模态)可以忽略不计。旋转叶片动应变场测量技术是基于有限测点的应变信息反演重构整个应变场，模态降阶与扩张理论基于各阶模态振型关于质量矩阵的正交性，利用振动系统有限的模态来表示多自由度系统振动。模态降阶将物理空间中关于有限测点动应变的动力学方程转化到模态空间关于模态响应的多自由度解耦系统；模态扩展基于应变模态振型将模态空间的模态响应转换为物理空间的动应变。为此，本专利技术基于模态降阶与扩展理论通过有限测点的振动反演重构旋转叶片整体动应变场，核心是建立叶片有限测点动应变与全场动应变的转换矩阵。本专利技术的目的是通过以下技术方案予以实现，一种旋转叶片动应变场测量方法包括以下步骤：第一步骤中，建立待测量旋转叶片的三维有限元模型，提取所述三维有限元模型的模态参数；第二步骤中，在所述旋转叶片上布置多个应变片，确定所述应变片测点数目、位置和方向；第三步骤中，构造应变片测点动应变与全场动应变的转换矩阵；第四步骤中，基于所述应变片测量所述旋转叶片相应位置动应变；第五步骤中，所述动应变基于所述转换矩阵经由模态处理得到所述旋转叶片任意时刻、任意位置及任意方向的动应变。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阶模态参数、模态频率fi和大小为ndof×1的应变模态振型ψi，构造旋转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表示旋转叶片有限元模型的自由度数目，ndof＝3nn，nn表示旋转叶片有限元模型节点。所述的方法中，第一步骤中，每个旋转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。所述的方法中，第二步骤中，旋转叶片应变片测点数目nd大于等于模态数目nm。所述的方法中，第二步骤中，基于旋转叶片应变模态振型构造应变模态振型的测点选择矩阵大小为2nc×nm，其中nc表示旋转叶片表面有限元网格节点数目；2表示每个节点有2个方向可安装应变片；从测点选择矩阵ψp中随机选择nd个测点构造大小为nd×nm的测点应变模态振型矩阵ψd，并计算其矩阵条件数κ；随机过程重复R次并从中选择矩阵条件数κ最小时的测点布置。所述的方法中，第三步骤中，转换矩阵大小为2ndof×nd；其中，表示测点模态振型矩阵ψd的逆，上标表示矩阵的逆；上标T表示矢量的转置。所述的方法中，第四步骤中，测量应变片振动获取旋转叶片nd个位置t个时刻的动应变时域信号所述的方法中，第五步骤中，基于转换矩阵T和应变实测的位移信号s(t)，旋转叶片t时刻叶片表面和内部所有节点应变经由公式S(t)＝Ts(t)计算得出，应变，所述应变s(t)包括正应变和剪应变；其中，εi，x表示叶片有限元模型第i个节点x方向的正应变，εi，y表示叶片有限元模型第i个节点y方向的正应变，εi，z表示叶片有限元模型第i个节点z方向的正应变，γi，xy表示叶片有限元模型第i个节点x-y方向的剪应变，γi，yz表示叶片有限元模型第i个节点y-z方向的剪应变，γi，xz表示叶片有限元模型第i个节点x-z方向的剪应变。所述的方法中，第五步骤中，所述模态处理基于所述应变模态振型模态降阶与扩展。根据本专利技术的另一方面，一种实施所述方法的测量系统包括，多个应变片，其布置在旋转叶片上；动应变测量模块，其连接所述应变片以测量旋转叶片nd个位置t个时刻的时域动应变信号计算单元，其连接所述动应变测量模块，所述计算单元包括，模态分析模块，其配置成基于待测量旋转叶片的三维有限元模型进行模态分析以获取旋转叶片前nm阶模态频率fi和应变模态振型ψi以及构造应变模态振型矩阵测点优选模块，其配置成优化布置在所述旋转叶片上的应变片的测点数目、位置和方向，其中，基于旋转叶片可安装应变片测点的应变模态振型构造旋转叶片全场应变模态振型矩阵从测点选择矩阵ψp中随机选择nd个测点构造大小为nd×nm的测点应变模态振型矩阵ψd并计算其矩阵条件数κ，随机过程重复R次并从中选择矩阵条件数κ最小时的测点布置，转换矩阵计算模块，其配置成构造测点动应变与全场动应变的转换矩阵，动应变场重构模块，用于计算旋转叶片t时刻叶片表面和内部所有节点应变经由公式S(t)＝Ts(t)计算得出，应变，所述应变S(t)包括正应变和剪应变。有益效果本专利技术提供的旋转叶片动应变场重构方法仅利用极少测点动应变便可实现旋转叶片整体动应变场的测量。不仅可实现叶片表面动应变的测量，还可以实现叶片内部节点正应变、剪应变的测量，本专利技术提供的方法可实现利用有限测点正应变反演重构任意节点剪应变，本专利技术构造的应变-应变转换矩阵，与频率、时间、甚至边界条件无关。本专利技术提供的方法计算过程简单，易于在线测量，可节约大量应变片。本专利技术提供的方法测量精度高，可评估应变片实测数据是否有效。本专利技术提供的旋转叶片动应变场重构系统过程简单，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旋转叶片动应变场重构方法优先实例的流程示意图；图2(a)至图2(b)是本专利技术提供的一种旋转叶片动应变场重构系统的结构示意图，其中，图2(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种旋转叶片动应变场测量方法，所述方法包括以下步骤：第一步骤(S1)中，建立待测量旋转叶片的三维有限元模型，提取所述三维有限元模型的模态参数；第二步骤(S2)中，在所述旋转叶片上布置多个应变片，确定所述应变片测点数目、位置和方向；第三步骤(S3)中，构造应变片测点动应变与全场动应变的转换矩阵；第四步骤(S4)中，基于所述应变片测量所述旋转叶片相应位置动应变；第五步骤(S5)中，所述动应变基于所述转换矩阵经由模态处理得到所述旋转叶片任意时刻、任意位置及任意方向的动应变。

【技术特征摘要】
1.一种旋转叶片动应变场测量方法，所述方法包括以下步骤：第一步骤(S1)中，建立待测量旋转叶片的三维有限元模型，提取所述三维有限元模型的模态参数；第二步骤(S2)中，在所述旋转叶片上布置多个应变片，确定所述应变片测点数目、位置和方向；第三步骤(S3)中，构造应变片测点动应变与全场动应变的转换矩阵；第四步骤(S4)中，基于所述应变片测量所述旋转叶片相应位置动应变；第五步骤(S5)中，所述动应变基于所述转换矩阵经由模态处理得到所述旋转叶片任意时刻、任意位置及任意方向的动应变。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阶模态参数、模态频率fi和大小为ndof×1的应变模态振型ψi，构造旋转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表示旋转叶片有限元模型的自由度数目，ndof＝3nn，nn表示旋转叶片有限元模型节点。3.根据权利要求2所述的方法，其中，第一步骤(S1)中，每个旋转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。4.根据权利要求1所述的方法，其中，第二步骤(S2)中，旋转叶片应变片测点数目nd大于等于模态数目nm。5.根据权利要求1所述的方法，其中，第二步骤(S2)中，基于旋转叶片应变模态振型构造应变模态振型的测点选择矩阵大小为2nc×nm，其中nc表示旋转叶片表面有限元网格节点数目；2表示每个节点有2个方向可安装应变片；从测点选择矩阵ψp中随机选择nd个测点构造大小为nd×nm的测点应变模态振型矩阵ψd，并计算其矩阵条件数κ；随机过程重复R次并从中选择矩阵条件数κ最小时的测点布置。6.根据权利要求2所述的方法，其中，第三步骤(S3)中，转换矩阵大小为2ndof×nd；其中，表示测点模态振型矩阵ψd的逆，上标表示矩阵的逆；上标T表示矢量的转置。7.根据权利要求6所述...

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