一种旋转叶片非接触式位移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非接触式位移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；确定叶端定时传感器数目与轴向安装位置；构造有限测点位移与整体位移场的转换矩阵；基于所述叶端定时传感器获取旋转叶片叶端有限位置位移，所述位置位移基于所述转换矩阵处理得到所述旋转叶片任意时刻、任意位置及任意方向的位移场。本发明专利技术提供的方法仅利用叶端有限测点位移以反演重构旋转叶片所有节点位移场，可实现叶片表面和内部节点振动测量，计算过程简单，测量精度高，易于在线测量。

A non-contact displacement field measurement method and system for rotating blades

【技术实现步骤摘要】
一种旋转叶片非接触式位移场测量方法及其系统
本专利技术属于旋转机械叶片非接触式振动测试
，特别是一种旋转叶片非接触式位移场测量方法及其系统。
技术介绍
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。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非接触式位移场测量方法及其系统，解决了叶端定时技术仅能测量叶端有限位移难题，并具备同时重构旋转叶片表面与内部所有节点位移的优势。由于航空发动机叶片高速旋转的特点，基于叶端定时(BladeTipTiming，BTT)的非接触式测量成为叶片振动测试领域研究的发展方向。叶端定时可以测量所有叶片的振动信息如振动频率、幅值、激励阶次、共振区域等。然而，叶端定时利用安装在靠近机匣内侧的传感器感知叶尖振动信息，仅能测量叶端有限位置振动，无法获得任意时刻多模态振动下的振动场。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位移场，核心是构造叶片叶端位移与全场位移的转换矩阵。本专利技术的目的是通过以下技术方案予以实现，一种旋转叶片非接触式位移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，确定叶端定时传感器数目与轴向安装位置；第三步骤中，构造有限测点位移与整体位移场的转换矩阵；第四步骤中，基于所述叶端定时传感器获取旋转叶片叶端有限位置位移；第五步骤中，所述位置位移基于所述转换矩阵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位移场。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的位移模态振型φi，构造旋转叶片全场位移模态振型矩阵大小为ndof×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数目。所述的方法中，第二步骤中，旋转叶片轴向叶端定时测点数目nd大于等于模态数目nm。所述的方法中，第二步骤中，提取叶片叶端轴向方向可安装叶端定时传感器的位移模态振型，构造关于位移模态振型的测点选择矩阵大小为nc×nm；其中nc表示叶片叶端有限元网格节点数目，每个节点选周向位移模态振型；从测点选择矩阵Φp中随机选择nd个测点构造大小为nd×nm的测点位移模态振型矩阵Φd，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，构造叶端有限测点位移与全场所有节点位移的转换矩阵大小为ndof×nd；其中，表示测点位移模态矩阵Φd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，叶端定时非接触式测量系统获得旋转叶片轴向nd个位置t个时刻的位移信号其中uj(t)表示第j(j＝1，...，nd)个叶端定时传感器实测信号。所述的方法中，第五步骤中，基于转换矩阵T和叶端定时测量位移信号u(t)，旋转叶片t时刻叶片表面和内部所有节点任意方向的位移场U(t)经由公式U(t)＝Tu(t)计算得出，其中，表示t时刻叶片表面和内部所有节点三个方向的位移；其中，ui，x(t)表示叶片有限元模型第i个节点t时刻x方向的位移，ui，y(t)表示叶片有限元模型第i个节点t时刻y方向的位移，ui，z(t)表示叶片有限元模型第i个节点t时刻z方向的位移。所述的方法中，第五步骤中，所述模态处理基于所述位移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，所述测量系统包括，多个叶端定时传感器，其布置在转子叶片的机匣上；叶端定时测振模块，其连接所述叶端定时传感器以测量旋转叶片轴向nd个位置t个时刻的位移信号计算单元，其连接所述叶端定时测振模块，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的位移模态振型φi以及构造旋转叶片全场位移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叶端定时传感器的测点数目，其中，基于旋转叶片可安装叶端定时传感器的位移模态振型构造测点选择矩阵从测点选择矩阵Φp中随机选择nd个测点构造大小为nd×nm的测点位移模态振型矩阵Φd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，其配置成构造叶端有限测点位移与全场所有节点位移的转换矩阵，位移场重构模块，其配置成旋转叶片t时刻叶片表面和内部所有节点位移场U(t)经由公式U(t)＝Tu(t)计算得出，其中，表示t时刻叶片表面和内部所有节点三个方向的位移。在一个实施例中，测量系统还包括显示单元和无线通信设备，无线通信设备包括4G/GPRS或互联网通信模块。有益效果本专利技术提供的旋转叶片非接触式位移场测量方法仅利用极少叶端定时测点便可实现旋转叶片整体位移场的测量。不仅可实现叶片表面位移场重构，还可以实现叶片内部节点位移场的重构。本方明构造的位移-位移转换矩阵是恒定的，与频率、时间、甚至边界条件无关。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考虑了多模态振动，测量精度高，旋转叶片位移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非接触式位移场测量方法优先实例的流程示意图；图2(a)至图2(c)是本专利技术提供的一种旋转叶片非接触式位移场测量系统的结构示意图，其中，图2(a)旋转叶片位移场重构系统组成；图2(b)叶端定时测振模块；图2(c)叶端定时传感器轴向安装示意图；图3是一个实施例中模拟旋转叶片动载荷激励位置与叶端定时传感器测点(BTT)位置示意图；图4(a)至图4(c)是一个实施例中旋转叶片的位移模态振型，其中，图4(a)一弯振型，图4(b)一扭振型；图4(c)二弯振型；图5是一个实施例中旋转叶片三个叶端定时传感器实测叶端位移振动信号；图6是一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种旋转叶片非接触式位移场测量方法，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，确定叶端定时传感器数目与轴向安装位置；第三步骤(S3)中，构造有限测点位移与整体位移场的转换矩阵；第四步骤(S4)中，基于所述叶端定时传感器获取旋转叶片叶端有限位置位移；第五步骤(S5)中，所述位置位移基于所述转换矩阵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位移场。

【技术特征摘要】
1.一种旋转叶片非接触式位移场测量方法，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，确定叶端定时传感器数目与轴向安装位置；第三步骤(S3)中，构造有限测点位移与整体位移场的转换矩阵；第四步骤(S4)中，基于所述叶端定时传感器获取旋转叶片叶端有限位置位移；第五步骤(S5)中，所述位置位移基于所述转换矩阵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位移场。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的位移模态振型φi，构造旋转叶片全场位移模态振型矩阵大小为ndof×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数目。3.根据权利要求1所述的方法，其中，第二步骤(S2)中，旋转叶片轴向叶端定时测点数目nd大于等于模态数目nm。4.根据权利要求1所述的方法，其中，第二步骤(S2)中，提取叶片叶端轴向方向可安装叶端定时传感器的位移模态振型，构造关于位移模态振型的测点选择矩阵大小为nc×nm；其中nc表示叶片叶端有限元网格节点数目，每个节点选周向位移模态振型；从测点选择矩阵Φp中随机选择nd个测点构造大小为nd×nm的测点位移模态振型矩阵Φd，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。5.根据权利要求1所述的方法，其中，第三步骤(S3)中，构造叶端有限测点位移与全场所有节点位移的转换矩阵大小为ndof×nd；其中，表示测点位移模态矩阵Φd的逆；上标表示矩阵的逆；上标T表示矢量的转置。6.根据权利要求5所述的方法，其中，第四步骤(S4)中，叶端定时非接触式测量系统获得旋转叶片轴向nd个位置t个时刻的位移信号其中uj(t)表示第j(j＝1，.....

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