旋转叶片裂纹的叶端定时非接触在线检测关键技术研究

发布时间：2020-10-22 14:36

　　 旋转叶片是航空发动机中的关键动部件,由于在极端服役环境下运行且经常变换工况,易产生振动进而诱发故障。因此监测叶片的异常振动,及时发现叶片损伤对保证发动机运行安全具有重要意义。目前,利用叶端定时(Blade Tip-Timing,BTT)方法对航空发动机旋转叶片进行在线振动监测是一项前沿技术,但BTT技术由于传感器安装受发动机结构和运行要求的制约,其测量的振动信号属于欠采样信号,而叶片由于裂纹的非线性导致其叶端出现多频振动响应,因此利用欠采样的BTT信号获取未知多频叶片振动是突破旋转叶片裂纹BTT检测的关键难题。本文通过建立含裂纹叶片动力学模型,分析裂纹对叶片振动特性影响,结合BTT方法提取裂纹敏感振动特征,提出采用压缩感知理论解决BTT欠采样多频叶片振动盲重构难题,实现旋转叶片的BTT非接触在线振动测量与裂纹检测研究。论文主要工作包括:(1)研究裂纹机理,建立含呼吸裂纹单叶片动力学模型,分析裂纹对叶片振动特性的影响,提取裂纹叶片非线性振动响应超谐特征,为实现BTT欠采样多频振动重构及裂纹检测提供理论依据。同时针对叶端振动位移分析对微小裂纹的不敏感问题,提出采用振动能量流分析方法,能增强微小裂纹引发的叶片振动响应谐波现象,并通过含裂纹叶片振动实验进行验证,为微小裂纹检测提供理论指导。(2)针对含拉筋耦合的叶盘,考虑失谐因素建立含裂纹的多叶片耦合离散动力学模型,研究叶片失谐及耦合强度对叶片振动特性影响,在此基础上进一步分析裂纹对失谐耦合叶片振动特性的影响,提取共振频率与振动幅值及其变化因子作为裂纹特征,为旋转叶片裂纹BTT检测奠定模型基础。(3)针对BTT测量叶片振动数据的欠采样特性,建立BTT测量的压缩感知模型,通过对该模型求解约束来确定实际测量过程中BTT传感器数目,并采用条件数理论对传感器布局进行优化分析,最后研究了不同稀疏重构算法对多频叶片振动重构性能的影响,解决了BTT欠采样多频叶片振动盲重构难题。(4)对含裂纹失谐叶片理论模型叶端振动进行等效BTT采样,对欠采样数据采用压缩感知理论进行重构,提取裂纹叶片二倍频响应、共振频率及振动幅值变化的裂纹特征实现旋转叶片裂纹BTT检测的仿真研究。然后通过气动激励及磁铁激励的旋转叶片振动BTT在线测振实验平台,验证了压缩感知理论能解决BTT欠采样多频叶片振动盲重构难题。最后采用预制裂纹的方法,结合压缩感知理论及理论建模提取的裂纹特征实现了旋转叶片裂纹的BTT非接触在线检测。
【学位单位】：国防科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V231.95
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 论文选题来源与研究背景
        1.1.1 选题来源
        1.1.2 研究背景与意义
    1.2 含裂纹旋转叶片动力学建模与分析研究现状
        1.2.1 裂纹模型研究现状
        1.2.2 含裂纹单叶片动力学建模与分析研究现状
        1.2.3 含裂纹耦合多叶片动力学建模与分析研究现状
    1.3 旋转叶片振动在线测量技术发展现状
        1.3.1 接触式测量方法
        1.3.2 非接触式测量方法
        1.3.3 叶端定时技术发展现状
    1.4 基于压缩感知的旋转机械故障诊断研究现状
    1.5 论文研究思路及章节安排
        1.5.1 论文研究思路
        1.5.2 论文章节安排
第二章 含呼吸裂纹单叶片的非线性多频振动特性分析
    2.1 线弹性断裂力学基本理论
        2.1.1 裂纹基本类型
        2.1.2 裂纹尖端的应力场和位移场
        2.1.3 应力强度因子
        2.1.4 能量释放率
    2.2 含裂纹悬臂梁叶片的局部柔度分析
    2.3 含呼吸裂纹单叶片的非线性动力学建模
    2.4 含呼吸裂纹单叶片的振动能量流建模
    2.5 含呼吸裂纹叶片振动特性数值分析
        2.5.1 含呼吸裂纹旋转叶片的等效刚度分析
        2.5.2 含呼吸裂纹叶片的振动特性与能量流特性分析
        2.5.3 呼吸裂纹对叶片瞬态耗散能量和瞬态输入能量的分岔分析
        2.5.4 呼吸裂纹对叶片振动响应的超谐/亚谐振动幅值影响分析
    2.6 含裂纹叶片振动特性的实验验证
        2.6.1 含裂纹叶片振动试验目的与原理
        2.6.2 实验结果分析
    2.7 本章小结
第三章 含裂纹失谐叶片振动特性分析及叶端定时检测特征提取
    3.1 含拉筋叶盘系统的模型简化
    3.2 多叶片耦合系统的模态分析
        3.2.1 协调叶片的模态分析
        3.2.2 失谐叶片的模态分析
        3.2.3 含呼吸裂纹失谐叶片的模态分析
    3.3 含呼吸裂纹失谐叶片的受迫振动建模与分析
    3.4 裂纹对失谐叶片振动特性影响的数值分析
        3.4.1 失谐强度对失谐叶片模态的影响
        3.4.2 耦合强度对失谐叶片模态的影响
        3.4.3 裂纹对失谐叶片固有频率的影响分析
        3.4.4 裂纹对失谐叶片受迫振动幅值的影响分析
        3.4.5 裂纹对失谐叶片振动响应局部化特性的影响分析
        3.4.6 裂纹对失谐叶片振动分岔行为的影响分析
    3.5 失谐叶片裂纹叶端定时检测的振动特征提取
    3.6 本章小结
第四章 基于压缩感知的旋转叶片叶端定时振动测量与裂纹检测研究
    4.1 旋转叶片振动的叶端定时测量基本原理
    4.2 叶端定时欠采样的压缩感知模型构建
        4.2.1 叶端定时测量等效采样模型
        4.2.2 压缩感知基础理论
        4.2.3 压缩感知模型构建
    4.3 稀疏重构约束下的叶端定时传感器数目确定
    4.4 叶端定时传感器布局优化分析
    4.5 叶端定时欠采样的稀疏重构算法研究
        4.5.1 稀疏重构算法的分类与简介
        4.5.2 正交匹配追踪算法
        4.5.3 基追踪降噪算法
        4.5.4 多重信号分类算法
        4.5.5 正则化FOCUSS算法
    4.6 基于压缩感知的叶端定时欠采样多频叶片振动盲重构数值分析
        4.6.1 数值分析参数设置
        4.6.2 叶端定时传感器数目确定及其布局优化分析
        4.6.3 基于压缩感知的叶端定时欠采样多频叶片振动信号盲重构验证..
        4.6.4 叶端定时传感器数目对重构性能的影响
        4.6.5 叶端定时测量不确定性对重构性能的影响
        4.6.6 叶端定时传感器位置对重构性能的影响
        4.6.7 稀疏重构算法对叶片振动重构性能的影响
    4.7 基于叶端定时的旋转叶片裂纹检测仿真验证
    4.8 本章小结
第五章 旋转叶片叶端定时测振与裂纹检测实验研究
    5.1 高速旋转叶片叶端定时在线测振实验平台构建
        5.1.1 高速旋转叶片振动测试平台
        5.1.2 叶端定时测量系统
    5.2 实验数据预处理
        5.2.1 旋转叶片实际到达时间获取
        5.2.2 干扰数据的剔除
        5.2.3 旋转叶片叶端振动位移获取
    5.3 基于压缩感知的叶端定时欠采样叶片振动盲重构实验研究
        5.3.1 高速旋转叶片叶端定时测振实验平台叶片的有限元分析
        5.3.2 实验平台的叶端定时非接触在线测振实验验证
        5.3.3 旋转直叶片振动测试系统简介与直叶片模态分析
        5.3.4 叶端定时欠采样叶片振动盲重构实验验证
    5.4 旋转叶片裂纹的叶端定时非接触在线检测实验研究
    5.5 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 全文总结
    6.2 工作展望
致谢
参考文献
作者在学期间取得的学术成果

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本文编号：2851723