[发明专利]一种转子叶片的应变片测点布局优化方法

说明书

本发明公开了一种转子叶片的应变片测点布局优化方法，方法包括以下步骤：建立待测量转子叶片的三维有限元模型；基于三维有限元模型对所述转子叶片进行模态分析，基于网格的单元提取转子叶片三维有限元模型的应变模态振型；基于所述应变模态振型确定转子叶片振动模态阶次、应变片数目和约束条件；基于所述转子叶片表面应变片安装位置、角度和所述振动模态阶次构建转子叶片振动模型的设计矩阵；基于所述设计矩阵，计算设计矩阵的转置与其自身的乘积的行列式，将所述行列式作为目标函数，基于优化算法使所述行列式达到最大值，确定应变片的安装位置的最佳布局。

技术领域

本发明属于旋转机械转子叶片非接触式振动测试技术领域，特别是一种转子叶片的应变片测点布局优化方法。

背景技术

航空发动机被誉为飞机制造业“现代工业皇冠上的明珠”，是衡量一个国家综合科技水平、科技工业基础和综合国力的重要标志。叶片作为航空发动机最关键和最重要零件之一，其性能直接影响航空发动机整体结构与安全运行。航空发动机正常工作时，叶片高速旋转，承受着复杂的气动激振力、离心力、温度应力等复合作用，工况十分恶劣，产生振动应变(简称动应变)，极易导致叶片疲劳失效，最终导致叶片生成裂纹故障，因此，为适应航空发动机高总压比、高负荷及高效率的发展方向以及实现实时故障监测，进行航空发动机叶片的振动应变测试技术研究很有必要。

由于应变片测量能够直观准确反映被测点的应变信息，使用应变片来测量作用在结构上的动应变得相当普遍。实际测量过程中，由于应变片灵敏度随着应变片取向角度的变化而变化，因此需要对计算的应变张量进行转换，以确定多个不同应变片取向的应变值。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，但由于航空发动机叶片高速旋转的特点和应变片安装数量的限制，不能在叶片任意位置处贴应变片和任意工况下进行测量，进而借助有限元模型利用有限的应变测量信息反演重构其他不可测量位置的应变成为一种解决方案。另外应变片测量位置和方向的选取应尽量避开高梯度和多方向的应变位置，否则将直接影响测量数据的精度和信息冗余度，进而影响其他位置应变反演重构值的精度和准确度，因此正确的应变片安装位置以及角度对于航空发动机转子叶片动应变测量至关重要。为此，本发明针对转子叶片动应变测量应变片安装位置布局，提供了一种叶片应变测点布寻优方法，提供应变片测量位置以及角度的最优选择，使有限的应变片获得有效、不冗余的振动信息，提高应变片测量的精确度和信息的有效性，减少后续转子叶片动应变测量或其他位置应变估计的误差。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，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。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种转子叶片的应变片测点布局优化方法，使有限的应变片获得有效、不冗余的振动信息，提高应变片测量的精确度和信息的有效性，减少后续转子叶片动应变测量或其他位置应变估计的误差，最终提高了叶片运行状态评估的准确性与可靠性。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现，一种转子叶片的应变片测点布局优化方法包括以下步骤：

第一步骤中，建立待测量转子叶片的三维有限元模型；

第二步骤中，基于三维有限元模型对所述转子叶片进行模态分析，基于网格的单元提取转子叶片三维有限元模型的应变模态振型；

第三步骤中，基于所述应变模态振型确定转子叶片振动模态阶次、应变片数目和约束条件；

第四步骤中，基于所述转子叶片表面应变片安装位置、角度和所述振动模态阶次构建转子叶片振动模型的设计矩阵；

第五步骤中，基于所述设计矩阵，计算设计矩阵的转置与其自身的乘积的行列式，将所述行列式作为目标函数，基于优化算法使所述行列式达到最大值，确定应变片的安装位置的最佳布局。

所述的方法中，第一步骤中，应变片通过附加壳单元安装在转子叶片的表面获得表面的应变信息以建立待测量转子叶片的三维有限元模型。