[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

说明书

本发明公开了基于数字孪生的转子叶片健康监测方法和系统，所述方法包括：建立单个叶片的三维模型，通过有限元软件计算叶片不同转速下的各阶模态固有频率，以传感器实测的转子叶片振动频率和有限元模型计算的各阶模态固有频率的差值为目标函数，以有限元模型的材料参数和几何参数为设计变量，构造有限元模型修正方程，利用进化算法求解得到修正后的有限元基准模型；构造模型更新灵敏度矩阵以反映单元刚度矩阵变化对于转子叶片固有频率的影响；基于所述模型更新灵敏度矩阵，建立服役状态下数字孪生模型实时更新方程；基于所述实时更新方程，建立基于l_p范数的稀疏优化模型；通过凸优化方法求解得到反映转子叶片损伤位置和程度的单元刚度损伤因子矢量。

技术领域

本发明属于机械故障诊断领域，涉及基于数字孪生的转子叶片健康监测方法和监测系统。

背景技术

转子叶片是航空发动机中的重要零部件。航空发动机工作时的高温、高压、高转速等恶劣工作条件容易使叶片产生振动，进而引起叶片的高周疲劳，导致叶片产生裂纹等损伤。而航空发动机叶片的损伤故障，通常会导致叶片的一些振动参数，如振动频率、振幅等发生改变。在叶片运行过程中，通过对其振动参数进行准确监测，对叶片损伤位置进行定位，评估叶片损伤情况对于减少发动机运行维护成本，保障航空发动机的运行安全有着重要作用。

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，本发明提出基于数字孪生的转子叶片健康监测方法和监测系统，通过在有限元基准模型与实际传感器测得的叶片振动参数间进行数据交换，实现叶片损伤定位以及损伤程度评估。

本发明建立与物理实体模型对应的数字孪生模型，利用实际传感器测量结果和数字孪生模型计算结果进行数据关联，实现数字孪生模型的实时更新，准确反映物理实体对象的工作状态。传统的航空发动机故障检测，通过人工拆检的方式进行，其诊断周期长、检测效率低，无法实现实时的转子叶片健康监测。通过在实际的发动机上安装传感器，可测得叶片的振动参数，利用正常状态下的叶片振动参数测量结果对数字孪生有限元模型进行修正，得到有限元基准模型。通过实测结果与有限元基准模型间的差异，对数字孪生模型进行实时更新，进而对叶片故障进行定位，对叶片损伤程度进行评估，以实现转子叶片实时健康监测的目的。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种基于数字孪生的转子叶片健康监测方法包括以下步骤：

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；