CN105783751A - 一种多场耦合状态下支点矢量变形测试方法 - Google Patents

Abstract

一种多场耦合状态下支点矢量变形测试方法，试验件上选择一条变形测试方向的直线，在直线上选择三点作为测量点，分别编号为A、B、C，其中B点为解耦测点，建立数学模型；对机匣每个支板测得的温度、温度梯度，根据一维热、机解耦识别出的参数，需要计算在高温度梯度热、机耦合作用下的热变形、机械变形及总变形；将光纤光栅应变传感器两端用螺丝紧固在待测量的一对支护板上，紧固螺丝时，用仪表监测光纤光栅的波长变化，紧固过程中，光纤光栅波长变化量应根据测量过程中温度的变化情况，保证光纤光栅波长变化不超过2nm。本发明的优点：进一步开展发动机转子支点径向矢量变形测量研究，结合发动机振动响应，分析发动机整机振动。

Description

一种多场耦合状态下支点矢量变形测试方法

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，特别涉及了一种多场耦合状态下支点矢量变形测试方法。

背景技术

航空发动机工作状态下各支点在多场耦合作用下会产生矢量变形，该变形会改变转子的支点边界，如果一个转子不同支点的矢量变形偏差较大，则转子可能产生较大的振动，甚至导致转静子碰摩、危害发动机安全等问题；需进行多场耦合作用下各支点矢量变形对转子振动的影响分析，提出柔性热、机复合传感器矢量测试法，可测试转子支点矢量变形。

发明内容

本发明的目的是为了准确测试转子支点矢量变形，特提供了一种多场耦合状态下支点矢量变形测试方法。

本发明提供了一种多场耦合状态下支点矢量变形测试方法，其特征在于：所述的多场耦合状态下支点矢量变形测试方法，试验件上选择一条变形测试方向的直线，在直线上选择三点作为测量点，分别编号为A、B、C，其中B点为解耦测点，建立数学模型如下：

L＝aT+b△T₁+c△T₂

式中：L—温度引起的变形；

a—材料线膨胀系数；

T—B点测试温度；

△T₁—A、B点间温度差；

△T₂—B、C点间温度差；

b、c—待定系数；

测试中，采用改变温度场和外部载荷，得到不同的变形，最终获得多组测试结果，利用最小二乘方法或神经网络和支持向量机法对数据进行拟合，识别出参数a、b、c；

分别测试各支板变形，可测得支点轴心相对于机匣安装边的位移量及方向角；

设支板的变形为Δl_i,i＝1,2,Λ6；支板得到角度为Δθ_i,i＝1,2,Λ6；则支板x向和y向变形为Δx_i＝Δl_icos(θ_i),Δy_i＝Δl_isin(θ_i),i＝1,2,Λ6；支点总变形为：夹角φ＝atan(Δx/Δy)；

由于机匣处于高温度梯度场中，为了研究机匣支点变形中机械变形和温度热变形的比例，对机匣每个支板测得的温度、温度梯度，根据一维热、机解耦识别出的参数，需要计算在高温度梯度热、机耦合作用下的热变形、机械变形及总变形；

光纤光栅高速波长解调仪是基于“衍射体光栅”与“光电转换阵列”的光纤光栅波长解调设备，具有解调速度快，测量精度高和运行稳定的特点；有四个通道，每个通道带宽40nm，单个通道可串接20个光纤光栅，四通道可同时对80个光纤光栅进行波长解调；

传感器的设计：光纤光栅应变传感器是针对热、机耦合场变形测试设计研发的专用传感器，由直径为2mm不锈钢管和带螺纹的两个端头组成；钢管内部有两个光纤光栅，其中，一个光纤光栅两端使用耐高温胶黏剂拉伸固定在钢管两端头椭圆形孔内，另一个光纤光栅一端固定，另一端处在自由不受力状态，用于测量温度；两个光纤光栅尾纤加保护后，从传感器一端输出；

使用安装方法：将光纤光栅应变传感器两端用螺丝紧固在待测量的一对支护板上，紧固螺丝时，用仪表监测光纤光栅的波长变化，紧固过程中，光纤光栅波长变化量应根据测量过程中温度的变化情况，保证光纤光栅波长变化不超过2nm。

多场耦合状态下支点矢量变形测试方法的具体应变计算方法如下：

不考虑温度变化：

光纤光栅应变与波长的变化关系

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{fbg}}=\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{0.78\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

由于传感器测量时通过螺丝固定的位置与光纤光栅两端固定的位置不一致，这一点在计算测量应变式，必须要加以考虑；

$\mathrm{\ϵ}=\frac{L+l}{L}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{fbg}}---\left(2\right)$

将公式(1)、(2)合并，得到

$\mathrm{\ϵ}=\frac{(L+l)}{L}\×\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{0.78\mathrm{\λ}}---\left(3\right)$

温度补偿问题：考虑温度对光纤光栅的影响是由于热膨胀效应和热光效应引起的，其中热膨胀效应使光栅的周期改变，而热光效应使纤芯折射率改变，所以上式可以表示为：

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\λ}}=(\mathrm{\α}+\mathrm{\ζ})\·\mathrm{\ΔT}---\left(4\right)$

式中： $\mathrm{\α}=\frac{1}{\mathrm{\Λ}}\·\frac{\mathrm{\Δ\Λ}}{\mathrm{\ΔT}}$ —热膨胀系数；

$\mathrm{\ζ}=\frac{1}{n_{\mathrm{eff}}}\·\frac{\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{\ΔT}}$ —热光系数；

ΔT—温度变化量；

对于典型的石英光纤，α＝0.55×10^-6/℃，当温度在20-150℃时，ζ＝(7.1～7.3)×10^-6/℃；

公式(4)是针对光纤光栅本身的温度影响问题，但是，由于光纤光栅应变传感器的封装结构与固定方式的不同，使得温度变化对光纤光栅应变传感器测量结果的影响变得非常复杂；

a钢管的热变形问题可不必考虑；因为，应变传感器在安装固定时进行了一定的拉伸，温度导致热胀冷缩仅仅是引起了传感器受力的变化，不会引起两个支护板之间的距离变化；

b.从传感器固定位置到光纤光栅的粘贴位置的这段距离l的热变形，加以考虑；

c光纤本身的热变形也不必考虑，道理与a类同；

综合上述诸因素，温度变化导致的波长变化量可表示为

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1}{\mathrm{\λ}}=(\mathrm{\ξ}+\frac{2\mathrm{\αl}}{L+l})\mathrm{\ΔT}---\left(5\right)$

式中：ξ—热光系数；

α—金属的热膨胀系数；

具体温度系数建议由实验标定；式(5)中的ΔT由光纤光栅温度传感器测量得到，计算公式可采用公式(4)；

将(4)带入(5)得到

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1}{\mathrm{\λ}}=(\mathrm{\ξ}+\frac{2\mathrm{\αl}}{L+l})\·\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_T}{{\mathrm{\λ}}_T(\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ})}---\left(6\right)$

式中：λ_T－温度传感器对应的波长值；

应变传感器测量计算公式

在应变测量公司(3)中的波长变化量中减去温度变化部分，即得到

$\mathrm{\ϵ}=\frac{(L+l)}{0.78L}\×[\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\λ}}-(\mathrm{\ξ}+\frac{2\mathrm{\αl}}{L+l})\·\frac{1}{\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ}}\·\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_T}{{\mathrm{\λ}}_T}]---\left(7\right)$

公式(7)是应变传感器测量计算公式。

本发明的优点：

本发明所述的多场耦合状态下支点矢量变形测试方法，能直接利用，进一步开展发动机转子支点径向矢量变形测量研究，结合发动机振动响应，分析发动机整机振动。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为热、机解耦方案图；

图2为支点机匣简图；

图中，1-热风，2-试验件，3-应变测试光纤，4-温度测试光纤，5-连接件，6-标准力传感器，7-外机械载荷，8-机匣外安装边，9-机匣内安装边，10-支板。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种多场耦合状态下支点矢量变形测试方法，其特征在于：所述的多场耦合状态下支点矢量变形测试方法，试验件上选择一条变形测试方向的直线，在直线上选择三点作为测量点，分别编号为A、B、C，其中B点为解耦测点，建立数学模型如下：

L＝aT+b△T₁+c△T₂

式中：L—温度引起的变形；

a—材料线膨胀系数；

T—B点测试温度；

△T₁—A、B点间温度差；

△T₂—B、C点间温度差；

b、c—待定系数；

测试中，采用改变温度场和外部载荷，得到不同的变形，最终获得多组测试结果，利用最小二乘方法或神经网络和支持向量机法对数据进行拟合，识别出参数a、b、c；

分别测试各支板变形，可测得支点轴心相对于机匣安装边的位移量及方向角；

设支板的变形为Δl_i,i＝1,2,Λ6；支板得到角度为Δθ_i,i＝1,2,Λ6；则支板x向和y向变形为Δx_i＝Δl_icos(θ_i),Δy_i＝Δl_isin(θ_i),i＝1,2,Λ6；支点总变形为：夹角φ＝atan(Δx/Δy)；

由于机匣处于高温度梯度场中，为了研究机匣支点变形中机械变形和温度热变形的比例，对机匣每个支板测得的温度、温度梯度，根据一维热、机解耦识别出的参数，需要计算在高温度梯度热、机耦合作用下的热变形、机械变形及总变形；

光纤光栅高速波长解调仪是基于“衍射体光栅”与“光电转换阵列”的光纤光栅波长解调设备，具有解调速度快，测量精度高和运行稳定的特点；有四个通道，每个通道带宽40nm，单个通道可串接20个光纤光栅，四通道可同时对80个光纤光栅进行波长解调；

传感器的设计：光纤光栅应变传感器是针对热、机耦合场变形测试设计研发的专用传感器，由直径为2mm不锈钢管和带螺纹的两个端头组成；钢管内部有两个光纤光栅，其中，一个光纤光栅两端使用耐高温胶黏剂拉伸固定在钢管两端头椭圆形孔内，另一个光纤光栅一端固定，另一端处在自由不受力状态，用于测量温度；两个光纤光栅尾纤加保护后，从传感器一端输出；

使用安装方法：将光纤光栅应变传感器两端用螺丝紧固在待测量的一对支护板上，紧固螺丝时，用仪表监测光纤光栅的波长变化，紧固过程中，光纤光栅波长变化量应根据测量过程中温度的变化情况，保证光纤光栅波长变化不超过2nm。

多场耦合状态下支点矢量变形测试方法的具体应变计算方法如下：

不考虑温度变化：

光纤光栅应变与波长的变化关系

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{fbg}}=\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{0.78\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

由于传感器测量时通过螺丝固定的位置与光纤光栅两端固定的位置不一致，这一点在计算测量应变式，必须要加以考虑；

$\mathrm{\ϵ}=\frac{L+l}{L}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{fbg}}---\left(2\right)$

将公式(1)、(2)合并，得到

$\mathrm{\ϵ}=\frac{(L+l)}{L}\×\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{0.78\mathrm{\λ}}---\left(3\right)$

温度补偿问题：考虑温度对光纤光栅的影响是由于热膨胀效应和热光效应引起的，其中热膨胀效应使光栅的周期改变，而热光效应使纤芯折射率改变，所以上式可以表示为：

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\λ}}=(\mathrm{\α}+\mathrm{\ζ})\·\mathrm{\ΔT}---\left(4\right)$

式中： $\mathrm{\α}=\frac{1}{\mathrm{\Λ}}\·\frac{\mathrm{\Δ\Λ}}{\mathrm{\ΔT}}$ —热膨胀系数；

$\mathrm{\ζ}=\frac{1}{n_{\mathrm{eff}}}\·\frac{\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{\ΔT}}$ —热光系数；

ΔT—温度变化量；

对于典型的石英光纤，α＝0.55×10^-6/℃，当温度在20-150℃时，ζ＝(7.1～7.3)×10^-6/℃；

公式(4)是针对光纤光栅本身的温度影响问题，但是，由于光纤光栅应变传感器的封装结构与固定方式的不同，使得温度变化对光纤光栅应变传感器测量结果的影响变得非常复杂；

a钢管的热变形问题可不必考虑；因为，应变传感器在安装固定时进行了一定的拉伸，温度导致热胀冷缩仅仅是引起了传感器受力的变化，不会引起两个支护板之间的距离变化；

b.从传感器固定位置到光纤光栅的粘贴位置的这段距离l的热变形，加以考虑；

c光纤本身的热变形也不必考虑，道理与a类同；

综合上述诸因素，温度变化导致的波长变化量可表示为

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1}{\mathrm{\λ}}=(\mathrm{\ξ}+\frac{2\mathrm{\αl}}{L+l})\mathrm{\ΔT}---\left(5\right)$

式中：ξ—热光系数；

α—金属的热膨胀系数；

具体温度系数建议由实验标定；式(5)中的ΔT由光纤光栅温度传感器测量得到，计算公式可采用公式(4)；

将(4)带入(5)得到

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1}{\mathrm{\λ}}=(\mathrm{\ξ}+\frac{2\mathrm{\αl}}{L+l})\·\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_T}{{\mathrm{\λ}}_T(\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ})}---\left(6\right)$

式中：λ_T－温度传感器对应的波长值；

应变传感器测量计算公式

在应变测量公司(3)中的波长变化量中减去温度变化部分，即得到

$\mathrm{\ϵ}=\frac{(L+l)}{0.78L}\×[\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\λ}}-(\mathrm{\ξ}+\frac{2\mathrm{\αl}}{L+l})\·\frac{1}{\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ}}\·\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_T}{{\mathrm{\λ}}_T}]---\left(7\right)$

公式(7)是应变传感器测量计算公式。

Claims (2)

1.一种多场耦合状态下支点矢量变形测试方法，其特征在于：所述的多场耦合状态下支点矢量变形测试方法，试验件上选择一条变形测试方向的直线，在直线上选择三点作为测量点，分别编号为A、B、C，其中B点为解耦测点，建立数学模型如下：

L＝aT+b△T₁+c△T₂

式中：L—温度引起的变形；

a—材料线膨胀系数；

T—B点测试温度；

△T₁—A、B点间温度差；

△T₂—B、C点间温度差；

b、c—待定系数；

测试中，采用改变温度场和外部载荷，得到不同的变形，最终获得多组测试结果，利用最小二乘方法或神经网络和支持向量机法对数据进行拟合，识别出参数a、b、c；

分别测试各支板变形，可测得支点轴心相对于机匣安装边的位移量及方向角；

设支板的变形为Δl_i，i＝1，2，Λ6；支板得到角度为Δθ_i,i＝1,2,Λ6；则支板x向和y向变形为Δx_i＝Δl_icos(θ_i),Δy_i＝Δl_isin(θ_i),i＝1,2,Λ6；支点总变形为： $\mathrm{\Δx}=\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{x}_i,\mathrm{\Δy}=\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{y}_i,$ 夹角φ＝atan(Δx/Δy)；

由于机匣处于高温度梯度场中，为了研究机匣支点变形中机械变形和温度热变形的比例，对机匣每个支板测得的温度、温度梯度，根据一维热、机解耦识别出的参数，需要计算在高温度梯度热、机耦合作用下的热变形、机械变形及总变形；

光纤光栅高速波长解调仪是基于“衍射体光栅”与“光电转换阵列”的光纤光栅波长解调设备，具有解调速度快，测量精度高和运行稳定的特点；有四个通道，每个通道带宽40nm，单个通道可串接20个光纤光栅，四通道可同时对80个光纤光栅进行波长解调；

传感器的设计：光纤光栅应变传感器是针对热、机耦合场变形测试设计研发的专用传感器，由直径为2mm不锈钢管和带螺纹的两个端头组成；钢管内部有两个光纤光栅，其中，一个光纤光栅两端使用耐高温胶黏剂拉伸固定在钢管两端头椭圆形孔内，另一个光纤光栅一端固定，另一端处在自由不受力状态，用于测量温度；两个光纤光栅尾纤加保护后，从传感器一端输出；

使用安装方法：将光纤光栅应变传感器两端用螺丝紧固在待测量的一对支护板上，紧固螺丝时，用仪表监测光纤光栅的波长变化，紧固过程中，光纤光栅波长变化量应根据测量过程中温度的变化情况，保证光纤光栅波长变化不超过2nm。

2.按照权利要求1所述的多场耦合状态下支点矢量变形测试方法，其特征在于：多场耦合状态下支点矢量变形测试方法的具体应变计算方法如下：

不考虑温度变化：

光纤光栅应变与波长的变化关系

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{fbg}}=\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{0.78\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

由于传感器测量时通过螺丝固定的位置与光纤光栅两端固定的位置不一致，这一点在计算测量应变式，必须要加以考虑；

$\mathrm{\ϵ}=\frac{L+l}{L}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{fbg}}---\left(2\right)$

将公式(1)、(2)合并，得到

$\mathrm{\ϵ}=\frac{(L+l)}{L}\×\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{0.78\mathrm{\λ}}---\left(3\right)$

温度补偿问题：考虑温度对光纤光栅的影响是由于热膨胀效应和热光效应引起的，其中热膨胀效应使光栅的周期改变，而热光效应使纤芯折射率改变，所以上式可以表示为：

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\λ}}=(\mathrm{\α}+\mathrm{\ζ})\·\mathrm{\ΔT}---\left(4\right)$

式中： $\mathrm{\α}=\frac{1}{\mathrm{\Λ}}\·\frac{\mathrm{\Δ\Λ}}{\mathrm{\ΔT}}$ —热膨胀系数；

$\mathrm{\ζ}=\frac{1}{n_{\mathrm{eff}}}\·\frac{\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{\ΔT}}$ —热光系数；

ΔT—温度变化量；

对于典型的石英光纤，α＝0.55×10^-6/℃，当温度在20-150℃时，ζ＝(7.1～7.3)×10^-6/℃；

公式(4)是针对光纤光栅本身的温度影响问题，但是，由于光纤光栅应变传感器的封装结构与固定方式的不同，使得温度变化对光纤光栅应变传感器测量结果的影响变得非常复杂；

a钢管的热变形问题可不必考虑；因为，应变传感器在安装固定时进行了一定的拉伸，温度导致热胀冷缩仅仅是引起了传感器受力的变化，不会引起两个支护板之间的距离变化；

b.从传感器固定位置到光纤光栅的粘贴位置的这段距离l的热变形，加以考虑；

c光纤本身的热变形也不必考虑，道理与a类同；

综合上述诸因素，温度变化导致的波长变化量可表示为

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1}{\mathrm{\λ}}=(\mathrm{\ξ}+\frac{2\mathrm{\αL}}{L+l})\mathrm{\ΔT}---\left(5\right)$

式中：ξ—热光系数；

α—金属的热膨胀系数；

具体温度系数建议由实验标定；式(5)中的ΔT由光纤光栅温度传感器测量得到，计算公式可采用公式(4)；

将(4)带入(5)得到

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1}{\mathrm{\λ}}=(\mathrm{\ξ}+\frac{2\mathrm{\αl}}{L+l})\·\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_T}{{\mathrm{\λ}}_T(\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ})}---\left(6\right)$

式中：λ_T－温度传感器对应的波长值；

应变传感器测量计算公式

在应变测量公司(3)中的波长变化量中减去温度变化部分，即得到

$\mathrm{\ϵ}=\frac{(L+l)}{0.78L}\×[\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\λ}}-(\mathrm{\ξ}+\frac{2\mathrm{\αl}}{L+l})\·\frac{1}{\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ}}\·\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_T}{{\mathrm{\λ}}_T}]---\left(7\right)$

公式(7)是应变传感器测量计算公式。