[发明专利]基于数字孪生的转子叶片健康监测方法和监测系统

权利要求书

1.一种基于数字孪生的转子叶片健康监测方法，所述方法包括以下步骤：

第一步骤中，建立转子叶片的三维模型，通过有限元计算叶片不同转速下的各阶模态固有频率f_FE，根据转子叶片初始无裂纹状态下测得的模态信息对有限元模型进行修正得到用于数字孪生的有限元基准模型，其中，将有限元计算的各阶模态固有频率f_FE与传感器测得的实际叶片振动频率f_m的差值作为目标函数，以转子叶片的材料参数M＝[E ρ μ]和几何参数G＝[l w h α]为设计变量，以材料参数和几何参数的上确界VHB和下确界VLB为约束条件，构建有限元模型修正方程：

其中，E为材料弹性模量，ρ为密度，μ为泊松比，l为叶片长度，w为叶片宽度，h为叶片厚度，α为叶片攻角，基于进化算法不断调整有限元模型修正方程中的材料参数和几何参数，使得目标函数的值达到最小，得到用于数字孪生的有限元基准模型；

第二步骤中，构造灵敏度矩阵：其中，ψ_j为转子叶片的有限元模型第j阶质量归一化模态振型，为所述的有限元基准模型中第i个单元的单元刚度矩阵，Q_i为有限元基准模型中单元刚度矩阵与总体刚度矩阵之间的关系矩阵，上标T表示矩阵或矢量的转置；

第三步骤中，建立服役状态下数字孪生实时更新模型，其中，基于转子叶片有限元基准模型的总体刚度矩阵和单元刚度矩阵建立参数化的刚度损伤模型：其中，K(t_s)表示转子叶片有限元模型第t_s时刻对应的总体刚度矩阵，n_ele表示有限元模型中的单元数量，i表示第i个单元，θ_i(t_s)表示第t_s时刻，转子叶片第i个单元的损伤因子，Q_i为有限元基准模型中，单元刚度矩阵与总体刚度矩阵之间的关系矩阵,为有限元基准模型中第i个单元的单元刚度矩阵，

基于灵敏度矩阵建立服役状态下数字孪生实时更新模型：Δf＝Sθ+ε，其中，表示转子叶片损伤前后的模态频率变化量；f_d和f_u分别表示转子叶片损伤前后传感器测得的实际叶片模态频率，S为灵敏度矩阵，是待求的单元刚度损伤因子矢量，ε为噪声矢量，n_f是传感器测得的实际叶片模态频率数量，n_ele是有限元模型中的单元数量；

第四步骤中，建立基于l_p(0≤p≤1)范数的稀疏优化模型：其中，表示二范数的平方，||·||_p表示p范数，λ表示正则化参数，利用凸优化方法求解基于l_p范数的稀疏优化模型，得到唯一确定的单元刚度损伤因子矢量根据θ中非零元素所在位置，对应转子叶片有限元模型中的损伤单元位置，非零元素的大小对应损伤单元的损伤严重程度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，优选的，第一步骤包括：

S101、依据的转子叶片形状等比例三维建模得到转子叶片三维模型，并基于有限元计算建立转子叶片有限元模型，

S102、确定转子叶片实际运行过程中到达的最高转速Rm，利用有限元计算转子叶片三维模型在0至Rm转速下的各阶模态固有频率，

S103、在转子叶片运行前对其进行检测，确保实际叶片运行前不含故障，

S104、在转子叶片机匣及周围运行环境安装传感器，令转子叶片转速从0至Rm升速运行再降速至0，得到所有传感器测得的数据，

S105、转子叶片运行结束后，对叶片进行检查，若检查实际叶片运行后产生故障，则更换叶片重复步骤S103、S104和S105，直至实际叶片运行后不含有故障。