[发明专利]一种叶片动应变测量的传感器布置方法

说明书

本发明公开了一种叶片动应变测量的传感器布置方法，所述方法包括：提取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叶片振动模态阶次、传感器数目和约束条件；将应变模态振型矩阵的条件数作为目标函数，利用优化算法寻找应变模态振型矩阵条件数最小的测点布局；根据最优应变模态振型矩阵和最小条件数，确定传感器测点的最优布局。

技术领域

本发明属于叶片振动接触检测技术领域，特别是一种叶片动应变测量的传感器布置方法。

背景技术

航空发动机高速旋转叶片工作环境苛刻，受到交变的强载荷载，其在运行过程中极易产生振动疲劳裂纹而导致严重事故。叶片振动过大导致的高周疲劳是航空发动机叶片主要失效模式。叶片受到高周疲劳在短时间内便可累计大量循环产生疲劳裂纹，而叶片因共振产生的动应力极易导致叶片的疲劳失效。在航空发动机研制、生产过程中，为了掌握叶片振动特性，需要对叶片振动进行测量，尤其是对动应变的测量。长期以来，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，应变片测量能够直观准确反映被测点的应变信息，但由于航空发动机叶片高速旋转的特点和应变片测量的限制，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算估计其他不可测量位置的应变成为一种解决方案。应变片测量位置和方向的选取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算估计值的精度和准确度。为此，本发明针对传感器测点布局，以应变片测量为例，提供了一种叶片应变测点布局智能寻优方法，提供传感器测量的最优布局方案，使有限的传感器获得有效、不冗余的振动信息，提高传感器测量的精确度和信息的有效性，减少后续应变场重构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

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种叶片动应变测量的传感器布置方法，采用智能优化法，针对传感器测量位置构成的模态振型矩阵的条件数进行筛选判别，得到最优传感器测点布局。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种叶片动应变测量的传感器布置方法包括以下步骤：

第一步骤中，提取叶片三维有限元模型的应变模态振型；

第二步骤中，基于所述应变模态振型确定叶片振动模态阶次、传感器数目和约束条件；

第三步骤中，将应变模态振型矩阵的条件数作为目标函数，利用优化算法寻找应变模态振型矩阵条件数最小的测点布局；

第四步骤中，根据最优应变模态振型矩阵和最小条件数，确定传感器测点的最优布局。

所述的方法中，第一步骤中，建立叶片的三维有限元模型，通过模态分析提取前n_m阶模态频率f_i、大小为2n_dof×1的应变模态振型Ψ_i；构造叶片全场应变模态振型矩阵大小为2n_dof×n_m；i表示模态阶次，n_dof表示叶片有限元模型的自由度数目；每个节点的应变包含3个正应变ε_x、ε_y、ε_z与3个剪应变γ_xy、γ_yz、γ_xz分量，每个节点有6个应变模态振型。

所述的方法中，第二步骤中，传感器测量叶片动应变，传感器数目n_d大于等于模态数目n_m，即n_d≥n_m。

所述的方法中，第二步骤中，传感器测点位置和方向与有限元模型中的节点自由度一一对应，从全场应变模态振型矩阵Ψ抽取得到测点应变模态振型Ψ_d，大小为n_d×n_m。