[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

说明书

本发明公开了基于数字孪生的转子叶片寿命预测方法和预测系统，所述方法包括：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；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；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；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。

技术领域

本发明属于旋转机械健康管理领域，具体涉及基于数字孪生的转子叶片寿命预测方法和预测系统。

背景技术

转子叶片是航空发动机、汽轮机、燃气轮机等旋转机械的重要零部件。而转子叶片通常工作在恶劣的环境中，易受到各种激励进而产生振动疲劳，导致疲劳裂纹、断裂、掉角等损伤，严重影响转子叶片工作寿命。以航空发动机为例，疲劳引起的寿命降低导致叶片断裂失效，瞬时断裂的叶片可击穿机匣，打断相邻叶片，甚至导致空中停车等重大事故。可见，对服役中的转子叶片进行健康监测，评估其使用寿命，制定维修策略，确保航空发动机运行安全，十分必要。

现阶段结构健康监测技术普遍存在模型精度低、数据不完备、虚实交互不充分等问题，难以直接应用到高速旋转的转子叶片状态监测中。在现有监测技术中，为获得应力应变水平这一运行安全评估指标，应变片测量作为常用方法，能直接获得叶片应变，进而计算叶片应力水平，但应变片测量存在易失效，难以实现在线测量等缺点。

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寿命预测方法和预测系统，评估转子叶片运行状态，计算剩余使用寿命，解决转子叶片健康监测领域难以实现在线监测和寿命预测的问题。

叶端定时技术作为一种非接触测量技术，在旋转叶片的健康监测上有着日益重要的作用。叶端定时技术通过安装在发动机机匣的传感器，检测旋转叶片到达时间，从而计算出叶片叶端振动位移并从中提取出各项振动参数。利用叶端定时技术可实时在线监测的特点，可为基于数字孪生驱动的转子叶片数字模型提供实时测量数据，而数字孪生模型可实时计算和评估叶片应力应变水平，进而反映叶片实时运行状态，预测叶片使用寿命。

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寿命预测方法包括以下步骤：

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。

所述的方法中，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。

所述的方法中，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，