[发明专利]基于数字孪生的转子叶片寿命预测方法和预测系统

权利要求书

1.一种基于数字孪生的转子叶片寿命预测方法，所述方法包括以下步骤：

第一步骤中，基于转子叶片尺寸和材料参数建立转子叶片的初始三维有限元模型；

第二步骤中，叶端定时测量获取转子叶片振动参数和叶端振动位移数据，实时更新初始三维有限元模型获得数字孪生模型及转子叶片坎贝尔图；

第三步骤中，基于应力重构和叶端振动位移数据计算所述数字孪生模型的转子叶片应力；

第四步骤中，基于所述转子叶片应力，获取应力时间历程以计算转子叶片寿命。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，优选的，通过模态分析获得固有频率和模态振型以获得转子叶片坎贝尔图。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，第二步骤中，叶端定时测量包括，

在转子叶片机匣周向布置多个叶端定时传感器测量转子叶片旋转状态下到达传感器的时间，转子叶片在无振动下的到达时间为t_s：式中，R为叶端点到回转中心的旋转半径，ω_R为转子转频，N_B为叶片数目，转子叶片实际到达某叶端定时传感器为t_e，则所述转子叶片在该转测得的叶尖位移为d，d＝ω_RR(t_e-t_s)＝ω_RRΔt，式中，Δt为转子叶片旋转状态下无振动和产生振动而到达叶端定时传感器的时间差，获得各转子叶片到达各叶端定时传感器的时间差以计算叶端振动位移，

基于各传感器测得的转子叶片每圈振动位移，采用周向傅里叶拟合算法计算转子叶片振动参数，令某转子叶片的振动共有m阶振动模态振型，其振动信号X(t)为：

，

式中，X_i(t)表示解耦后的第i阶模态振动信号，c表示叶片静变形，ω_i表示叶片多模态振动圆周频率，A_i表示第i阶振动最大振幅，表示第i阶振动初始相位，t表示叶片振动时刻，由此得到转子叶片振动信号以拟合叶片振动曲线，基于叶片坎贝尔图得到转子叶片多振动模态的振动参数，

基于求转子叶片多模态振动参数，基于有限元修正和更新初始三维有限元模型获得转子叶片的数字孪生模型。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，第三步骤中，转子叶片叶端定时测点对应数字孪生模型中自由度a，共有m阶模态参与转子叶片振动响应，数字孪生模型中测点对应的位移模态振型U_a为：U_a＝[U_a1,U_a2,…,U_am]，其中，U_a大小为1×m，当有m阶模态参与转子叶片振动响应时，n自由度转子叶片全场等效应力模态振型矩阵V_n为：V_n＝[V_n1,V_n2,…,V_nm]，其中，V_n大小为n×m，

构造转子叶片叶端测点位移响应与叶片全场应力的转换矩阵：

其中，转换矩阵T的大小为n×m，U_ai表示测点第i阶位移模态振型，由换算矩阵T和所述解耦的多模态振动信号X(t)，计算转子叶片任意时刻t的等效应力：

σ(t)＝TX(t)＝T[X₁(t),X₂(t),…,X_m(t)]^T。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，第四步骤中，基于所述转子叶片应力获取应力时间历程包括，

采用雨流循环计数将不规则应力时间历程转化成循环预定载荷历程的应力加载历程，其中，预定循环载荷历程中包含k个不同应力水平的应力幅，按照线性疲劳累积损伤Palmgren-Miner模型假设，在k种应力水平作用下，转子叶片到出现裂纹时的疲劳重复次数B_f为：

其中，N_i表示第i个应力水平下的循环次数，N_fi表示第i个应力水平下叶片达到破坏时的循环次数，由此计算转子叶片运行到出现裂纹时的疲劳重复次数B_f为疲劳寿命。