CN107991080A - 一种基于非接触测振与仿真计算的高频叶片模态分析方法 - Google Patents

一种基于非接触测振与仿真计算的高频叶片模态分析方法 Download PDF

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常国强
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Abstract

本发明公开了一种基于非接触测振与仿真计算的高频叶片模态分析方法，可满足1000Hz‑15000Hz高频范围内的模态分析，包括以下步骤：（1）采用有限元计算方法，计算自由模态与振型；（2）根据自由模态计算结果，选择测点，利用激光多普勒测振技术，测试叶片原点频响函数，获取叶片真实的固有频率；（3）修正仿真模型的弹性模量、泊松比参数，使仿真模型的计算结果与真实固有频率一致；对修正后的仿真模型施加工作边界条件，计算工作状态下的叶片模态；本发明可针对高频叶片，获得精确的模态频率与振型，为发动机叶片共振、疲劳失效等故障，提供可靠的分析基准。

Description

一种基于非接触测振与仿真计算的高频叶片模态分析方法
技术领域
本发明涉及一种高频叶片的模态分析方法，具体的说是一种基于非接触测振与仿真计算的高频叶片模态分析方法。
背景技术
离心压气机叶盘与向心涡轮叶盘的叶片共振疲劳、掉块等故障是微小型航空发动机的典型故障，从共振角度出发，为研究并解决该故障，对叶片进行精准的模态分析是十分必要的，离心压气机叶盘和向心涡轮叶盘因结构小，型面复杂，固有频率高等特征，很难通过常规的模态测试手段对其完成精确的模态分析；同时，因参数误差、结构误差、离散误差的客观存在，仿真模型的计算精度也有限，因此，很难利用上述方法获得精确的叶片模态。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对以上现有的技术缺陷，提出一种基于非接触测振与仿真计算的高频叶片模态分析方法，该方法是针对高频叶片，基于非接触式频响函数测试，结合模态仿真计算，通过修正弹性模量和泊松比参数，获取精确的叶片模态，为发动机叶片共振、疲劳时效等故障，提供可靠的分析基准，该方法克服了因叶片型面复杂、固有频率高等带来的测试难度高、精度差的缺点，也避免了因结构、参数、离散引入的仿真计算误差。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于非接触测振与仿真计算的高频叶片模态分析方法，该方法是针对高频叶片，基于非接触式频响函数测试，结合模态仿真计算，通过修正弹性模量和泊松比参数，获取精确的叶片模态，为发动机叶片共振、疲劳时效等故障，提供可靠的分析基准，具体包括以下步骤：
(1) 采用有限元计算方法，计算高频叶片的自由模态，得到自由模态的固有频率与模态振型；
(2) 根据计算的模态振型，选择测点，利用激光多普勒测振方式测试叶片原点频响函数，获取叶片真实的固有频率；
(3) 修正仿真模型的弹性模量、泊松比参数，使得仿真模型的计算结果与真实固有频率保持一致，对修正后的仿真模型施加工作边界条件，计算得到工作状态下的叶片模态。
本发明进一步限定的技术方案是：
前述基于非接触测振与仿真计算的高频叶片模态分析方法中，步骤(1)中高频叶片是包括微小型航空发动机的离心压气机叶盘、向心涡轮叶盘，其叶片模态频率在1000Hz-15000Hz高频范围内。
前述基于非接触测振与仿真计算的高频叶片模态分析方法中，步骤(2)中选择测点时测点在同一个叶片上，根据叶片模态振型，选择振幅最大的点作为测试点。
前述基于非接触测振与仿真计算的高频叶片模态分析方法中，步骤(2)中测试频响函数的激励方式包括：声场激励、电磁激励和力锤激励，其中：对于钢件叶片选择电磁激励和力锤激励；对于非钢件选择声场激励和力锤激励。
前述基于非接触测振与仿真计算的高频叶片模态分析方法中，步骤(2)中利用激光多普勒测振方式测试叶片原点频响函数时，测试仪器与被测点的距离不小于0.5米，测试激光束与被测平面法向的角度不大于20°。
前述基于非接触测振与仿真计算的高频叶片模态分析方法中，步骤(3)中修正的目标是被测件的固有频率计算值与步骤（2）中的测试值之间误差在0.3%以内，修正的参数变量包括被测件的弹性模量、泊松比参数。
前述基于非接触测振与仿真计算的高频叶片模态分析方法中，步骤(3)施加被测件的工作边界条件具体为：对于离心压气机叶盘，施加发动机实际的工作转速对应的离心载荷场；对于向心涡轮叶盘，施加发动机实际的工作转速对应的离心载荷场和温度场。
本发明的有益效果是：
由于采用了非接触式激光多普勒测振技术，避免了因传感器附加质量引入的误差，测试的固有频率值精确无误；基于几何建模准确的前提下，叶片的自由模态振型是准确无误的；
本发明充分利用了二者方法的各自优势，以测试固有频率为基准，修正仿真模型的弹性模量、泊松比参数，获取精确的叶片模态频率与振型，基于该模型下的模态分析，频率与振型准确无误，这将对叶片共振、疲劳、掉块等故障产生直接的工程指导价值。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2 离心叶轮的模态振型；
图3 离心叶轮的自由模态测试图；
图4 离心叶轮的叶片频响函数。
具体实施方式
下面对本发明做进一步的详细说明：
实施例1
本实施例提供一种基于非接触测振与仿真计算的高频叶片模态分析方法，该方法是针对高频叶片，基于非接触式频响函数测试，结合模态仿真计算，通过修正弹性模量和泊松比参数，获取精确的叶片模态，为发动机叶片共振、疲劳时效等故障，提供可靠的分析基准，具体包括以下步骤，参照附图1：
(1) 采用有限元计算方法，计算高频叶片的自由模态，得到自由模态的固有频率与模态振型；
(2) 根据计算的模态振型，选择测点，利用激光多普勒测振方式测试叶片原点频响函数，获取叶片真实的固有频率；
(3) 修正仿真模型的弹性模量、泊松比参数，使得仿真模型的计算结果与真实固有频率保持一致，对修正后的仿真模型施加工作边界条件，计算得到工作状态下的叶片模态。
参照附图2，案例对象为小型涡喷发动机的离心压气机叶轮，对其建立几何模型，设置材料参数，采用有限元计算方法，计算自由模态，得到固有频率与振型，根据固有频率，选取频率测试范围1000Hz-15000Hz。
参照附图3，将叶轮自由悬挂，根据模态振型，选取叶尖区域作为测量点，利用激光多普勒测振技术，采用力锤激励，测试叶片原点频响函数，如附图4所示，测试时保证激光光线路径能够达到测点位置。
分析测试频率与仿真分析频率的差异，并以测试频率为基准，修正计算模型的弹性模量和泊松比，得到准确的高频叶片模型，对高频叶片模型进行工作状态（即：旋转状态）边界条件下的模态计算，获取工作状态下，高频叶片的固有频率与振型。
在本实施例中，步骤(2)中利用激光多普勒测振方式测试叶片原点频响函数时，测试仪器与被测点的距离不小于0.5米，测试激光束与被测平面法向的角度不大于20°；步骤(3)中修正的目标是被测件的固有频率计算值与步骤（2）中的测试值之间误差在0.3%以内，修正的参数变量包括被测件的弹性模量、泊松比参数；步骤(3)施加被测件的工作边界条件具体为：对于离心压气机叶盘，施加发动机实际的工作转速对应的离心载荷场；对于向心涡轮叶盘，施加发动机实际的工作转速对应的离心载荷场和温度场。
这样通过案例的技术方案，该离心叶轮的叶片频率便能够准确获得，这对叶片的共振、疲劳、掉块等故障排除的工作开展，具有切实的工程指导意义。本发明具有分析结论精确，操作相对简单，便于测试等特点。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于非接触测振与仿真计算的高频叶片模态分析方法，其特征在于，该方法是针对高频叶片，基于非接触式频响函数测试，结合模态仿真计算，通过修正弹性模量和泊松比参数，获取精确的叶片模态，为发动机叶片共振、疲劳时效等故障，提供可靠的分析基准，具体包括以下步骤：
(1) 采用有限元计算方法，计算高频叶片的自由模态，得到自由模态的固有频率与模态振型；
(2) 根据计算的模态振型，选择测点，利用激光多普勒测振方式测试叶片原点频响函数，获取叶片真实的固有频率；
(3) 修正仿真模型的弹性模量、泊松比参数，使得仿真模型的计算结果与真实固有频率保持一致，对修正后的仿真模型施加工作边界条件，计算得到工作状态下的叶片模态。
2.根据权利要求1所述的基于非接触测振与仿真计算的高频叶片模态分析方法，其特征在于，所述步骤(1)中高频叶片是包括微小型航空发动机的离心压气机叶盘、向心涡轮叶盘，其叶片模态频率在1000Hz-15000Hz高频范围内。
3.根据权利要求1所述的基于非接触测振与仿真计算的高频叶片模态分析方法，其特征在于，所述步骤(2)中选择测点时测点在同一个叶片上，根据叶片模态振型，选择振幅最大的点作为测试点。
4.根据权利要求1所述的基于非接触测振与仿真计算的高频叶片模态分析方法，其特征在于，所述步骤(2)中测试频响函数的激励方式包括：声场激励、电磁激励和力锤激励，其中：对于钢件叶片选择电磁激励和力锤激励；对于非钢件选择声场激励和力锤激励。
5.根据权利要求1所述的基于非接触测振与仿真计算的高频叶片模态分析方法，其特征在于，所述步骤(2)中利用激光多普勒测振方式测试叶片原点频响函数时，测试仪器与被测点的距离不小于0.5米，测试激光束与被测平面法向的角度不大于20°。
6.根据权利要求1所述的基于非接触测振与仿真计算的高频叶片模态分析方法，其特征在于，所述步骤(3)中修正的目标是被测件的固有频率计算值与步骤（2）中的测试值之间误差在0.3%以内，修正的参数变量包括被测件的弹性模量、泊松比参数。
7.根据权利要求2所述的基于非接触测振与仿真计算的高频叶片模态分析方法，其特征在于，所述步骤(3)施加被测件的工作边界条件具体为：对于离心压气机叶盘，施加发动机实际的工作转速对应的离心载荷场；对于向心涡轮叶盘，施加发动机实际的工作转速对应的离心载荷场和温度场。
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