一种基于多测点的叶根应力场重构与试验验证方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多测点的叶根应力场重构与试验验证方法，包括步骤：叶根参数采样，建模并进行叶根轮缘强度分析；构建场重构模型，划分模型的输入与输出，利用数据完成重构模型训练；开展叶根轮缘拉伸试验，将试验测得数值与重构应力值进行对比，已验证重构模型的可靠性。本发明专利技术在重构模型建立后能够根据输入快速响应得到叶根轮缘部位的应力场，完成强度分析，有效避免了传统有限元方法中分析耗时长、计算资源消耗大等问题，具有计算速度快、精度高的优点，可实现工业场景下的数字孪生。本发明专利技术利用叶根轮缘拉伸试验结果验证重构应力场，使得重构模型结果更具有说服力。使得重构模型结果更具有说服力。使得重构模型结果更具有说服力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多测点的叶根应力场重构与试验验证方法


[0001]本专利技术涉及透平机械叶片领域，特别涉及一种基于多测点的叶根应力场重构与试验验证方法。

技术介绍

[0002]叶片作为透平机械能量转换的重要部件,其强度可靠性的分析一直受到广泛关注。叶片通常工作在高温、高压、高转速下，环境极为恶劣，而且设计制造和安装运行过程中的偏差很难避免，这些因素都导致叶片在运行过程中受力情况十分复杂。叶根
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轮缘作为叶片的主要承载结构，其强度可靠性通常具有更高的设计要求。
[0003]目前较为常用的叶根轮缘部位强度分析方法是有限元法，尽管经过长时间的发展仍存在着一些问题。有限元方法的分析结果受网格划分状况影响很大，现有的网格自动剖分算法对于形状相对简单的模型可以实现高质量网格划分，但对于形状复杂的模型，想得到高质量网格往往需要人工手动进行划分，导致整体分析过程耗时较长。并且网格数量的增加不仅使得有限元分析时长成倍数增长，也对计算资源存在较高的要求。

技术实现思路

[0004]针对上述有限元强度分析法存在的问题，本专利技术提供了一种基于多测点的叶根应力场重构与试验验证方法。该方法基于神经网络算法，能够通过叶根轮缘上几个点的应力数值重构出叶根轮缘处整个应力场，实现关键部位的强度分析。并提出了叶根轮缘拉伸试验方法以验证重构应力场的准确性。
[0005]本专利技术采用如下技术方案来实现的：
[0006]一种基于多测点的叶根应力场重构与试验验证方法，包括：
[0007]首先获得叶根参数样本集并据此建立叶根轮缘模型，采用有限元方法模拟计算应力场；其次，建立场重构模型，输入为叶根轮缘关键点应力值，输出为整体应力场，利用输入输出数据训练模型；最后，进行叶根轮缘拉伸试验，得到测点应力及应力场数值，将重构生成的应力场与标定后的试验结果比较，验证重构方法可靠性。
[0008]本专利技术进一步的改进在于，该方法具体包括如下步骤：
[0009]步骤1，使用拉丁超立方抽样方法进行叶根参数样本集采样；
[0010]步骤2，根据步骤1中得到的叶根参数样本进行叶根与轮缘部分建模；
[0011]步骤3，利用有限元方法计算上述叶根轮缘模型，得出应力分布；
[0012]步骤4，依据步骤3的应力分布划分重构模型的输入和输出，确定场重构模型的基本结构与参数，并根据输入输出完成重构模型的训练；
[0013]步骤5，开展叶根轮缘拉伸试验得到关键位置应力值及叶根轮缘处应力场分布，验证场重构结果的可靠性。
[0014]本专利技术进一步的改进在于，步骤1中，具体实现方法如下：
[0015]采样过程中首先确定增加的样本点数量N，由于每个样本点中均包含m个参数，且
每个参数拥有特定的取值范围，故在每个参数的特定范围内分层抽取出N个值；对于叶根第一对齿弧度参数h
l
取值范围为[l
min
,l
max
]，将这取值范围均匀划分为N个样本空间，空间长度均为即形成了N个等概率分区；随后在这些等概率分区中各随机抽取出一个数值，完成对参数h
l
各分区代表数值的选取；在样本组合时将每个参数的分区代表数值重新排列，并依次选取所有参数的第i个代表数值组成第i个样本点；采样完成后样本集中共包含N个样本点，数据维度为N
×
m的矩阵，根据重构模型的训练数据需求选择N的大小。
[0016]本专利技术进一步的改进在于，步骤2中，具体实现方法如下：
[0017]每个参数样本点中包含信息为叶根外轮廓相邻点间的距离或角度，用直线或圆弧连接并拉伸完成叶根部分建模；根据叶根型线与定位信息进行轮缘部分的建模，之后依据叶片的整体径向长度与叶根径向位置计算出叶身长度，在叶根上添加相应长度的长方体代替实际叶身，产生等效的离心力；最终得到的叶根与轮缘装配结构用于有限元计算。
[0018]本专利技术进一步的改进在于，步骤4中，具体实现方法如下：
[0019]输入需要包含叶根轮缘处关键位置的应力值；输出则为叶根轮缘上一系列应力值，选取数量K满足通过这些应力值能够反应叶根轮缘的应力场，并依此进行强度分析；在后续开展的叶根轮缘拉伸试验时，保证在关键位置布置了测点以获取K个应力数值。
[0020]本专利技术进一步的改进在于，步骤4中，采用的重构模型为基于二维反卷积算法的神经网络模型，具体包含1个全连接层和多个反卷积层；输入和输出的维度分别为[N,1,1,L]与[N,1,H,W]，其中N为上述的样本集中样本点数量，L为输入应力值的数量，输出的重构应力场中应力值的数量为H
×
W；根据N、L、H、W的具体大小选取批尺寸及每个层中的反卷积核的尺寸与步长，选取时满足核的尺寸小于输入尺寸，步长小于或等于核在对应维度的尺寸；输入首先通过全连接层转换为适当大小的二维尺寸，输入通道保持为单通道，随后输入依次通过多个反卷积层，运算后的输出即为重构出的应力场；损失函数为交叉熵损失函数，准确率评价标准为平均绝对偏差；将输入与其对应的输出以8：2的比例划分为训练集和测试集，初始学习率根据模型尺寸与样本容量设置范围为0.00001～0.001，并使用随机梯度下降优化器在训练过程中对其进行动态调整，当测试集中90％的输入所重构出的结果与真实输出的准确率大于90％时，就认为重构模型收敛，结束训练过程。
[0021]本专利技术进一步的改进在于，步骤5中，叶根轮缘拉伸试验具体包括以下步骤：
[0022]步骤5.1，从训练数据的验证集中随机选取一个参数样本点，并依此得到叶根轮缘模型；
[0023]步骤5.2，对步骤5.1中模型进行模化；
[0024]步骤5.3，向模化后的叶根轮缘模型其中一面上的关键位置布置应变片，另一面喷涂漆形成散斑面；
[0025]步骤5.4，进行叶根轮缘拉伸试验，同时得到应变片的应变数值和非接触式散斑全场应变测量仪测出的整体应变分布，再结合应变应力关系式σ＝Eε将获得的应变转换为应力。
[0026]本专利技术进一步的改进在于，步骤5.2中，模化原则为：(1)试验件与原型满足几何相似与受力情况相似；(2)叶根喉部足够布置预定数量的应变片；(3)参照试验所用拉力机的负载能力进行尺寸缩减。
[0027]本专利技术进一步的改进在于，应变片测量得到的结果为接触式测量结果，非接触式散斑全场应变测量仪得到的结果为非接触式测量结果；根据接触式测量得到的结果标定非接触测量结果，以得到准确的应力场分布。
[0028]本专利技术进一步的改进在于，标定的具体方式为在非接触式测量结果中提取出应变片对应位置的数值，建立对应位置间非接触式测量结果与接触式结果的映射方式：
[0029]ε
接触
＝k*ε
非接触
+b
[0030]其中k为映射系数，b为偏移量；
[0031]将所有非接触测量结果按上式映射得到叶根轮缘整体的应力场；将标定后得到的应力场与模型重构出的结果进行比对，验证应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多测点的叶根应力场重构与试验验证方法，其特征在于，包括：首先获得叶根参数样本集并据此建立叶根轮缘模型，采用有限元方法模拟计算应力场；其次，建立场重构模型，输入为叶根轮缘关键点应力值，输出为整体应力场，利用输入输出数据训练模型；最后，进行叶根轮缘拉伸试验，得到测点应力及应力场数值，将重构生成的应力场与标定后的试验结果比较，验证重构方法可靠性。2.根据权利要求1所述的一种基于多测点的叶根应力场重构与试验验证方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：步骤1，使用拉丁超立方抽样方法进行叶根参数样本集采样；步骤2，根据步骤1中得到的叶根参数样本进行叶根与轮缘部分建模；步骤3，利用有限元方法计算上述叶根轮缘模型，得出应力分布；步骤4，依据步骤3的应力分布划分重构模型的输入和输出，确定场重构模型的基本结构与参数，并根据输入输出完成重构模型的训练；步骤5，开展叶根轮缘拉伸试验得到关键位置应力值及叶根轮缘处应力场分布，验证场重构结果的可靠性。3.根据权利要求2所述的一种基于多测点的叶根应力场重构与试验验证方法，其特征在于，步骤1中，具体实现方法如下：采样过程中首先确定增加的样本点数量N，由于每个样本点中均包含m个参数，且每个参数拥有特定的取值范围，故在每个参数的特定范围内分层抽取出N个值；对于叶根第一对齿弧度参数h
l
取值范围为[l
min
,l
max
]，将这取值范围均匀划分为N个样本空间，空间长度均为即形成了N个等概率分区；随后在这些等概率分区中各随机抽取出一个数值，完成对参数h
l
各分区代表数值的选取；在样本组合时将每个参数的分区代表数值重新排列，并依次选取所有参数的第i个代表数值组成第i个样本点；采样完成后样本集中共包含N个样本点，数据维度为N
×
m的矩阵，根据重构模型的训练数据需求选择N的大小。4.根据权利要求2所述的一种基于多测点的叶根应力场重构与试验验证方法，其特征在于，步骤2中，具体实现方法如下：每个参数样本点中包含信息为叶根外轮廓相邻点间的距离或角度，用直线或圆弧连接并拉伸完成叶根部分建模；根据叶根型线与定位信息进行轮缘部分的建模，之后依据叶片的整体径向长度与叶根径向位置计算出叶身长度，在叶根上添加相应长度的长方体代替实际叶身，产生等效的离心力；最终得到的叶根与轮缘装配结构用于有限元计算。5.根据权利要求2所述的一种基于多测点的叶根应力场重构与试验验证方法，其特征在于，步骤4中，具体实现方法如下：输入需要包含叶根轮缘处关键位置的应力值；输出则为叶根轮缘上一系列应力值，选取数量K满足通过这些应力值能够反应叶根轮缘的应力场，并依此进行强度分析；在后续开展的叶根轮缘拉伸试验时，保证在关键位置布置了测点以获取K个应力数值。6.根据权利要求5所述的一种基于多测点的叶根应力场重构与试验验证方法，其特征在于，步骤4中，采用的重构模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢永慧，陈子峰，郭鼎，陈由翔，黄丞明，张荻，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：