一种适于航空发动机机载的整机振动评估方法技术

一种适于航空发动机机载的整机振动评估方法，以降低虚警损失和误诊损失为目标。在航空发动机典型故障的智能诊断中，通过有限元模型进行故障响应仿真得到典型故障的振动响应；提取典型故障的时域以及频域特征作为bp神经网络输入参数。在模型训练过程中提出了考虑虚警损失和误诊损失的损失函数，以该损失函数最小化作为训练目标。并考虑到误诊情况下发动机存在严重实际损失风险，因此引入风险系数ε

【技术实现步骤摘要】
一种适于航空发动机机载的整机振动评估方法


[0001]本专利技术涉及航空发动机智能诊断
，具体是一种基于动力学模型的航空发动机的振动状态评估方法。
技术背景
[0002]在航空发动机振动状态评估领域，bp神经网络、支持向量机、卷积神经网络等智能诊断方法已有应用先例。其智能化体现在由事先训练完成的诊断模型自行计算得到振动状态评估结果，全程无需技术人员参与。智能诊断的关键在于数学模型与实际问题本质之间的逼近程度。对于机载智能诊断系统而言，确保飞行安全则是重中之重，这就需要诊断过程中将虚警损失与误诊损失降至最低。
[0003]在发动机振动状态评估中，整机振动数据能较好的反映故障本质。引起发动机异常振动的因素可达上百种，但对于特定型号的发动机，其典型振动故障种类有限且故障特征可描述。这便为利用振动数据进行智能诊断提供了可行性。
[0004]在以往公开的方法中，多数采用模式识别以及最大隶属度原则确定最终诊断结果。
[0005]在公开号为CN105758645A的专利技术创造中公开了一种基于概率神经网络的发动机振动状态评估系统，包括进行历史数据的预处理、特征选择和提取等流程，通过训练样本，得到期望的诊断模型，利用该模型进行诊断。该方法在模型训练过程中并未区分虚警与误诊两种错误诊断情况。
[0006]当训练样本特征不明显或存在干扰信号时，易造成虚警或误诊。当两类故障特征相近时，如不平衡故障与叶片掉块故障频域特征均表现为1倍频占优。但叶片掉块故障危害程度远大于不平衡故障，若将叶片掉块故障误诊为不平衡故障，则发动机存在重大安全隐患，这对于机载系统是不可接受的。
[0007]中国专利技术专利为ZL201710230772.8中公开了一种航空发动机结构类故障的智能诊断方法，采用数据分析方法对故障样本进行识别得到疑似故障，再依据故障因子决策表对疑似故障进行筛选得到主要疑似故障，最后采用模式识别确定故障类别。并利用否定检验降低了由干扰信号带来的虚警损失。该方法考虑到了干扰信号带来的虚警损失，并从动力学角度对结果进行了检验，缩小了模型学习范围，降低了虚警损失。该方法考虑到了干扰信号带来的虚警损失影响，但在模型训练过程中还是未能区分由于诊断结果错误带来的误诊损失与虚警损失影响。
[0008]大多数智能诊断方法以精确区分故障类别为首要目标，在训练样本选取时，直接选取实验器数据或是发动机实测数据进行特征提取，而后进行模型训练。这样做可以保证诊断模型尽可能贴近真实情况，但由于发动机实测数据存在大量噪声干扰，在模型训练过程中，这些干扰会极大的影响训练效果。致使诊断模型未能准确分辨出故障特征。究其原因就在于未能从动力学角度出发，建立故障模型，得到特征显著的训练数据，在模式识别过程中，未考虑到虚警损失和误诊损失对诊断结果的影响。为达到精确分类的目标，在训练过程
中，模型复杂度会不断上升，结果导致模型对训练样本有很好的准确度，而对测试样本准确度大打折扣，也就难以在工程层面应用。
[0009]对于地面机械振动状态评估来说，准确率是追求的终极目标；而对于机载的实时状态评估系统来说，既要考虑诊断的准确性，也要考虑虚警损失。这二者实际上代表两类不同的识别损失。

技术实现思路

[0010]为克服现有技术中存在的虚警损失和误诊损失高、训练数据质量不一、难以应用于机载的问题，本专利技术提出了一种适于航空发动机机载的整机振动评估方法。
[0011]本专利技术的具体过程是：
[0012]步骤1，建立单转子有限元模型：
[0013]所述建立转子有限元模型的具体做法如下：
[0014]第一步。建立子坐标系。包括OXYZ为固定坐标系和Oxyz为旋转坐标系。
[0015]转子系统在变形状态下，其任意横截面相对于固定坐标系OXYZ的位置用V,W,B,Γ表示，V表示Y方向的位移，W表示Z方向的位移，B表示绕Y轴的转角，Γ表示绕Z轴的转角。
[0016]第二步，推导刚性盘的运动微分方程。
[0017]得固定坐标系OXYZ中刚性盘的运动微分方程为：
[0018][0019]式中：是刚性盘的质量矩阵及惯性矩阵；G
d
是刚性盘的陀螺效应矩阵；Q
d
是刚性盘的外力向量；d是盘单元上标；q为位移矢量；为q一次求导项；为q二次求导项。
[0020]第三步，确定等截面弹性轴段单元运动微分方程。
[0021]所述等截面弹性轴段单元在固定坐标系中的运动微分方程如下：
[0022][0023]式中：是等截面轴段单元的质量矩阵以及惯性矩阵；G
e
是梁单元的陀螺效应矩阵；K
e
是梁单元的刚度矩阵；Q
e
是梁单元的外力向量；q为位移矢量；为q一次求导项；为q二次求导项。
[0024]得到等截面弹性轴段单元任意截面横向平动位移与横向转角位移的表达式后，通过形函数可将任意微元段坐标用单元坐标q
e
表示，这样微元段的势能dP
e
和动能dT
e
同样可用单元坐标q
e
表示：
[0025][0026][0027]式中：Θ
Γ
‑
Ψ
′
V
为YOX平面的剪切变形；
‑
Θ
B
‑
Ψ
′
W
为ZOX平面的剪切变形；ρ
l
为单位长度的质量；I
d
为单位长度的直径转动惯量；I
p
为单位长度的直径转动惯量；Φ为转角。
[0028]将式(6)、式(7)带入到式(12)、式(13)，并沿元素全长积分得到轴段单元动能与势
能表达式：
[0029][0030][0031]式中：
[0032][0033]利用拉格朗日方程：
[0034][0035]所述等截面弹性轴段单元运动微分方程的推导过程是：
[0036]在转子系统有限元法中，通常采用考虑了剪切变形的Timoshenko梁单元对弹性轴单元进行建模。每个Timoshenko梁单元有两个节点，如前所述每个节点有4个自由度，即每个梁单元有8个自由度。梁单元的8个自由度组成的广义位移向量为：
[0037]q
e
＝[q
1 q
2 q
3 q
4 q
5 q
6 q
7 q8]T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0038]式中：q1,q5为轴元素两端在Y方向的位移；q2,q6为轴元素两端在Z方向的位移；q3,q7为轴元素两端绕Y轴的转角；q4,q8为轴元素两端绕Z轴的转角。
[0039]设轴段单元长度为l，轴向距离s处截面的横向位移为(V,W,B,Γ)，位移和转角的关系可近似表示为：
[0040][0041]使用轴元素两端节点广义坐标表示该轴元素中任意微元段的位移和转角本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适合航空发动机机载的整机振动评估方法，其特征在于，步骤1，建立单转子有限元模型：所述建立转子有限元模型的具体做法如下：第一步；建立子坐标系；包括OXYZ为固定坐标系和Oxyz为旋转坐标系；转子系统在变形状态下，其任意横截面相对于固定坐标系OXYZ的位置用V,W,B,Γ表示，V表示Y方向的位移，W表示Z方向的位移，B表示绕Y轴的转角，Γ表示绕Z轴的转角；第二步，推导盘单元运动微分方程；得固定坐标系OXYZ中刚性盘的运动微分方程为：式中：是刚性盘的质量矩阵及惯性矩阵；G
d
是刚性盘的陀螺效应矩阵；Q
d
是刚性盘的外力向量；d是盘单元上标；q为位移矢量；为q一次求导项；为q二次求导项；第三步，确定等截面弹性轴段单元运动微分方程；所述等截面弹性轴段在固定坐标系中的运动微分方程如下：式中：是等截面单元的质量矩阵；G
e
是梁单元的陀螺效应矩阵；K
e
是梁单元的刚度矩阵；Q
e
是梁单元的外力向量；q为位移矢量；为q一次求导项；为q二次求导项得到轴段单元任意截面横向平动位移与横向转角位移的表达式后，通过形函数可将任意微元段坐标用单元坐标q
e
表示，这样微元段的势能dP
e
和动能dT
e
同样可用单元坐标q
e
表示：示：式中：Θ
Γ
‑
Ψ
′
V
为YOX平面的剪切变形；
‑
Θ
B
‑
Ψ
′
W
为ZOX平面的剪切变形；ρ
l
为单位长度的质量；I
d
为单位长度的直径转动惯量；I
p
为单位长度的直径转动惯量；Φ为转角；第四步，计算普通轴承运动微分方程；在考虑线性刚度和阻尼时，轴承的运动方程为式中，C
b
为轴承阻尼矩阵；K
b
为轴承刚度矩阵；Q
b_ex
为轴承处外力；上标b表示普通轴承元素；
第五步，组装运动方程；将盘元素、轴元素和轴承元素的运动方程组装成系统运动方程时，需要将各同类项的系数矩阵相加；组装后的转子系统稳态运动方程为：式中，M为转子系统的质量矩阵，C为转子系统的阻尼矩阵，G为转子系统的陀螺效应矩阵，K为转子系统的刚度矩阵，q
s
为转子系统的位移向量，Q
s
为转子系统的外力向量；至此，建立了单转子动力学模型，然后将该模型在matlab环境中编程；即可进行下一步的动力学响应计算；步骤2，求解步骤1所建立的单转子模型的的典型故障的动力学响应：所述整机振动的典型故障为不平衡故障、不对中故障、转静碰摩故障和叶片掉块故障；第一步，确定转子系统的不平衡量大小与位置、不平衡故障力表达式、以及不平衡时的发动机转速信息；将故障力施加于转子模型模拟盘位置；利用matlab编程求解单转子动力学模型的振动响应得到20组不平衡故障时域响应；所述时域响应为不平衡故障情况下的振动幅值随时间的变化；对所述时域响应进行傅里叶变换，得到n1组不平衡故障情况下发动机振动的频域响应，所述频域响应为转子系统不平衡故障情况下的振动幅值随频率的变化；在步骤一第5步所组装的运动方程中，模拟盘上的不平衡质量产生的离心力是不平衡振动中周期性激励的主要来源；设转子不平衡质量为m，偏心距离为e，不平衡质量初始相位为θ，若转子角速度为ω，转子转动的时间为t，则不平衡故障水平方向沿x轴的离心力F
x1
以及不平衡故障竖直方向沿y轴的离心力F
y1
表示为：F
x1
＝meω2cos(ωt
‑
θ)，F
y1
＝meω2sin(ωt
‑
θ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(26)第二步，确定不对中量大小与位置、不对中故障力表达式、不对中时的发动机转速信息，将故障力施加于转子模型联轴器位置；利用matlab编程求解单转子动力学模型的振动响应得到n2组不对中故障时域响应，所述时域响应为不对中故障情况下的振动幅值随时间的变化；对所述时域响应进行傅里叶变换，得到20组不对中故障情况下发动机振动的频域响应，所述频域响应为转子系统不对中故障情况下的振动幅值随频率的变化；在工程实际中，不对中故障经常以综合不对中的情况出现，所以在仿真时以综合不对中情况下的受力情况作为故障力；给出不对中故障力表达式：m
i
联轴器质量，
△
E综合不对中，ω转子旋转速度，t时间，不对中相位，m0初始不平衡量，为初始不平衡相位，e偏心距离，F
x2
水平方向的故障力，F
y2
垂直方向的故障力；第三步，确定机匣刚度与侵入量、转静碰摩故障力表达式、转静碰摩时的发动机转速信息，将故障力施加于转子模型模拟盘位置；力；利用matlab编程求解单转子动力学模型的振动响应得到n3组转静碰摩故障时域响应，所述时域响应为转静碰摩故障情况下的振动幅值随时间的变化；对所述时域响应进行傅里叶变换，得到n3组转静碰摩故障情况下发动机振动的频域响应，所述频域响应为转子系统转静碰摩故障情况下的振动幅值随频率的变化；
设发生碰摩时，转子和静子之间发生弹性形变，用法向正压力和切向摩擦力来表示该碰摩时的碰摩力；碰摩时产生的法向弹性力为F
N
、，碰摩时产生的切向摩擦力为F
T
，δ为转静间隙，r
d
为运行时转子与机匣之间的相对位移，为碰撞点法向和水平方向夹角；设碰摩发生时弹性形变刚度为K
r
，摩擦系数为μ；则法向弹性力F
N
、和切向摩擦力F
T
分别表示为：式(28)中，所述x为转盘质心水平方向的振动位移，y为转盘质心竖直方向的振动位移；当r
d
≤δ时，未发生碰摩，F
N
、F
T
均为0，当r
d
＞δ时，发生转静碰摩，得到转静碰摩故障的时域以及频域响应；将所述F
N
、F
T
分解到x、y方向，可得：F
N
、F
T
沿x方向的合力F
x3
以及F
N
、F
T
沿y方向的合力F
y3
式中，F
x3
转静碰摩水平方向故障力，F
y3
转静碰摩数值方向故障力，F
N
法向弹性力，F
T
为切向摩擦力，转静碰摩故障力相位；第四步，确定掉块质量大小与位置、叶片掉块故障力表达式、叶片掉块时的发动机转速信息，将故障力施加于转子模型模拟盘位置；模拟n4组掉块质量；将n4组掉块质量代入式(30)得到n4组叶片掉块故障力，令系统外力矩阵等于叶片掉块故障力；利用matlab编程求解单转子动力学模型的振动响应得到n4组叶片掉块故障时域响应；所述时域响应为叶片掉块故障情况下的振动幅值随时间的变化；对所述时域响应进行傅里叶变换，得到n4组叶片掉块故障情况下发动机振动的频域响应，所述频域响应为转子系统叶片掉块故障情况下的振动幅值随频率的变化；将叶片掉块视为突加不平衡；其故障力表示为：式中，F
x4
为故障力在水平方向沿x轴的投影，F
y4
为故障力在竖直方向沿y轴的投影，t为时间，t
s
为掉块发生时刻，m
s
为掉块质量，m0为初始不平衡质量，m1为不平衡质量，为叶片掉块相位，为初始不平衡相位第五步，求解得n5组无故障情况下发动机振动的时域响应；所述时域响应为转子系统在不平衡量低于5g.cm情况下的振动幅值随时间的变化；对所述时域响应进行傅里叶变换，得到n5组无故障情况下发动机振动的频域响应，所述频域响应为转子系统在不平衡量低于5g.cm情况下的振动幅值随频率的变化；通过以上步骤得到发动机典型故障的整机振动时域响应数据和频域响应数据；步骤3，故障响应数据分析处理：
所述故障响应数据分析处理的具体过程是：第一步，对不平衡、不对中、转静碰摩和叶片掉块四种故障仿真数据进行傅里叶变换，得到各自的故障特征频率；第二步，对不平衡故障、不对中故障、转静碰摩故障、叶片掉块故障和无故障这五种情况下的的动力学时域响以及频域响应进行特征提取；所述特征提取为，计算时域响应的方差及均值，以及，记录频域响应的1/2X,1X...

【专利技术属性】
技术研发人员：王俨剀，姚尚鹏，高术依，王彤，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：