CN106596011A - 基于激励点优选和激光测振的小型叶轮模态测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激励点优选和激光测振的小型叶轮模态测试方法，用于解决现有小型叶轮模态测试方法测试精度低的技术问题。技术方案是通过有限元仿真计算获得叶轮的固有频率和振型，将叶轮的网格划分模型和模态计算结果导入LMS Virtual.lab软件进行预试验分析，采用驱动点留数(DPR)方法优选出叶轮模态激励位置。将叶轮弹性固定在支架上，利用激光测振仪的形貌扫描单元获取叶盘、叶片的形貌数据，直接在图像上定义扫描区域并布点。采用单点锤击的方法获得自由边界条件下振动响应信号，测量出叶轮固有频率，再用激振器在单频激振条件下逐点扫描来获取各阶振型，提高了测试精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种小型叶轮模态测试方法，特别涉及一种基于激励点优选和激光测振的小型叶轮模态测试方法。
背景技术
涡轮机是重要的热动力发动机之一，由于涡轮机具有许多独特的优点，其中最主要的是结构简单和可靠，经济性高，单机的功率大，以及小的外廓尺寸和重量，因此，不论在陆地上、船舶上还是在航空上都广泛采用涡轮机。
叶轮是涡轮机的关键部件，对涡轮机的振动噪声影响很大。涡轮盘部件的质量平衡，涡轮叶片不均匀气流脉动及高速气流通过涡轮叶片产生的气动噪声皆为涡轮机振动和噪声的主要来源。为了避免涡轮机叶轮在发动机升速、部分进气脉冲激励力影响下发生共振，增大振动噪声甚至危及发动机的安全运行，非常有必要准确测量出叶轮的模态。
试验模态分析是基于外界激励和系统响应的动态测试方法，由系统输入激励信号并输出响应数据，经信号处理和参数识别确定系统模态参数的一种试验方法。由模态测试的原理不难看出，模态测试的准确程度很大程度上受振动测量手段的制约，这也是被模态分析技术近70年的发展历程所证明了的。
压电式加速度传感器具有体积质量较小、容易安装、测量频率范围宽等优点，适用于大部分结构的模态测试，广泛应运于机械设备、土木建筑、运载工具等的模态测试。然而，由于涡轮发动机具有结构紧凑、比功率大、转速高(每分钟约十万转)等设计要求，其叶轮也具有体积小、质量轻的特点；进入涡轮机工作叶片气道的气体流速很大，工作叶片形成的通流面积很小，因而叶片长度短、数量多、位置相互交错。由叶轮的结构特点不难看出，压电式加速度传感器必然会增加与被测试件无关的附加质量，并且无法在叶片上安装，因此无法获得完整、准确的模态测量结果。
文献“刘景云,孙涛,彭博,等.基于测点优化和加速度计的叶轮模态测试[J].鱼雷技术,2016,24(5):357-361.”介绍了目前行业内现有的小型叶轮模态测试以接触式加速度传感器作振动信号采集手段为主，研究表明，采用加速度传感器只能获取叶轮前3阶固有频率，且加速度传感器的附加质量对叶轮固有频率测量影响较大，会引起双峰现象，对叶轮振型的测量结果显示并不清晰。
近年来以激光干涉技术为代表的非接触测量技术得到飞速发展。激光测振技术具有完全无附加质量影响、极为高效的甚多点振动测量和非常高的动态范围等独特优点，能适用于大多数复杂工况及环境。为了降低振动加速度计的附加质量对模态测试的影响，有学者尝试将激光测振技术引入到试验模态中，较好地解决了汽车车身复杂钣金件、倒装芯片键合机钣金件等轻质量薄壁件的模态测试的难题。然而，他们的模态试验方法并不完全适用于涡轮机叶轮的模态测试，这是因为涡轮机叶轮不但质量轻而且体积小，体积小就不易找到合适的激励点，该点选择不当不但影响模态测试的准确性而且可能遗漏模态，在激励点选择上激光测振仪是无能为力的。时至今日，小体积轻质量构件的模态测试依然是模态测试中的难点。
发明内容
为了克服现有小型叶轮模态测试方法测试精度低的不足。本发明提供一种基于激励点优选和激光测振的小型叶轮模态测试方法。该方法通过有限元仿真计算获得叶轮的固有频率和振型，将叶轮的网格划分模型和模态计算结果导入LMS Virtual.lab软件进行预试验分析，采用驱动点留数(DPR)方法优选出叶轮模态激励位置。将叶轮弹性固定在支架上，利用激光测振仪的形貌扫描单元获取叶盘、叶片的形貌数据，直接在图像上定义扫描区域并布点。采用单点锤击的方法获得自由边界条件下振动响应信号，测量出叶轮固有频率，再用激振器在单频激振条件下逐点扫描来获取各阶振型，可以提高测试精度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于激励点优选和激光测振的小型叶轮模态测试方法，其特点是包括以下步骤：
在UG建模软件中建立叶轮三维几何模型，导入到ANSYS软件进行网格划分、材料特性、边界条件以及载荷的设置，建立有限元模型，计算出模型的前5阶固有频率和模态振型。将叶轮盘模型的网格划分和模态计算结果导入LMS Virtual.lab软件中的振动与噪声相关性分析模块，采取驱动点留数方法优化激励点的位置和方向。
以激励点优选结果为指导进行叶轮模态激光测振。为增强激光测试的反射光强度，在叶轮盘上粘贴反光纸，根据叶轮的结构特点，布置圆形扫描网格，避开叶轮盘圆角位置，布置5圈，每圈20个测点。测量固有频率时，在优选出的模态激励点位置用力锤施加激励力，力锤上的力传感器连接到激光测振仪的连接箱上用以采集激励信号，以激励点附近的任意两个扫描网格节点作为振动响应测点。力锤每敲击一次，高精度激光干涉仪输出激光，垂直照射到待测目标点上，同时收集由目标散射回激光，经干涉产生正比与目标速度的多普勒频移信号，经高速A/D变换后进入采集计算机，完成一个测点的振动响应信号测量。Polytec软件包根据各测点的振动响应信号解算出叶轮在受激振动下的振动频谱，根据谱峰确定出固有频率。
测量叶轮振型时，激振器通过功率放大器与激光面振仪的连接箱相连，由激光测振仪内置信号发生器产生单频正弦激振信号驱动激振器工作。同时，激光头按照扫描网格对测点逐个测量。Polytec软件包根据各测点的振动响应信号构造出叶轮的前5阶振型。
本发明的有益效果是：该方法通过有限元仿真计算获得叶轮的固有频率和振型，将叶轮的网格划分模型和模态计算结果导入LMS Virtual.lab软件进行预试验分析，采用驱动点留数(DPR)方法优选出叶轮模态激励位置。将叶轮弹性固定在支架上，利用激光测振仪的形貌扫描单元获取叶盘、叶片的形貌数据，直接在图像上定义扫描区域并布点。采用单点锤击的方法获得自由边界条件下振动响应信号，测量出叶轮固有频率，再用激振器在单频激振条件下逐点扫描来获取各阶振型。
由于采用了基于预试验分析的叶轮振动激励点优选方法结合非接触式激光测振技术，克服了普通加速度传感器测量叶轮模态时存在附加质量影响问题，以及无法在叶片上安装布置问题，解决了小体积、轻质量、短叶片的涡轮机叶轮的模态测试难题，准确测量出叶轮前5阶模态固有频率和振型，为修正叶轮动力学模型，指导叶轮设计提供了支撑。与基于振动加速度传感器的试验模态比较，本方法的模态测量范围宽、固有频率精度高、振型结果显示清晰直观等显著优点，可适用于小体积、轻质量结构或某些特殊工况下的振动测量。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明基于激励点优选和激光测振的小型叶轮模态测试方法的流程图。
图2是本发明方法测试结果的测点1频响函数曲线。
图3是本发明方法测试结果的测点2频响函数曲线。
具体实施方式
参照图1-3。本发明基于激励点优选和激光测振的小型叶轮模态测试方法具体步骤如下：
在UG建模软件中建立叶轮三维几何模型，导入到ANSYS软件进行网格划分、材料特性、边界条件以及载荷的设置，建立有限元模型，计算出模型的前5阶固有频率和模态振型。将叶轮盘模型的网格划分和模态计算结果导入LMS Virtual.lab软件中的振动与噪声相关性分析模块，采取驱动点留数(DPR)方法优化激励点的位置和方向以充分激起尽可能多阶的模态频率。
以激励点优选结果为指导进行叶轮模态激光测振试验。为增强激光测试的反射光强度，在叶轮盘上粘贴反光纸，根据叶轮的结构特点，布置圆形扫描网格，避开叶轮盘圆角位置，布置5圈，每圈20个测点。测量固有频率时，在优选出的模态激励点位置用力锤施加激励力，力锤上的力传感器连接到激光测振仪的连接箱上用以采集激励信号，以激励点附近的任意两个扫描网格节点作为振动响应测点。力锤每敲击一次，高精度激光干涉仪输出激光，垂直照射到待测目标点上，同时收集由目标散射回激光，经干涉产生正比与目标速度的多普勒频移信号，经高速A/D变换后进入采集计算机，完成一个测点的振动响应信号测量。Polytec软件包根据各测点的振动响应信号解算出叶轮在受激振动下的振动频谱，根据谱峰确定出固有频率。
本发明的测试结果参照图2。可以看出两个测点对应每阶固有频率基本一致，由此确定出的叶轮的前5阶固有频率、由振动加速度传感器测量出的固有频率及ANSYS计算出的固有频率的对比参照表1，可以看出：加速度传感器只能测出叶轮的前3阶模态参数，而采用激光测振仪可以测出叶轮的前5阶模态参数，表明激光的模态测量范围宽；以不同测试方式获得的各阶固有频率值非常接近(尤其是第一阶，相差只有0.6Hz)，而仿真获得固有频率值相对测试值偏大。这是因为两种测试方式的约束是相同的，而仿真和测试约束存在差异，仿真建模时必须对装配形式、几何外形进行必要的简化，与被试件实际状态有一定差异；仿真获得的前5阶固有频率值和激光的测试值较接近，表明测量高阶模态时加速度传感器的附加质量影响不可忽视。
表1不同方法获取固有频率对比
测量叶轮振型时，激振器通过功率放大器与激光面振仪的连接箱相连，由激光测振仪内置信号发生器产生单频正弦激振信号驱动激振器工作。同时，激光头按照扫描网格对测点逐个测量。Polytec软件包根据各测点的振动响应信号构造出叶轮的前5阶振型，可以看出由于激光可以大量布点，测量出的振型清晰直观，将变形细节显示的非常清楚，视觉效果远高于加速度传感器测量出的线框形式的振型图。
Claims (1)
1.一种基于激励点优选和激光测振的小型叶轮模态测试方法，其特征在于包括以下步骤：
在UG建模软件中建立叶轮三维几何模型，导入到ANSYS软件进行网格划分、材料特性、边界条件以及载荷的设置，建立有限元模型，计算出模型的前5阶固有频率和模态振型；将叶轮盘模型的网格划分和模态计算结果导入LMS Virtual.lab软件中的振动与噪声相关性分析模块，采取驱动点留数方法优化激励点的位置和方向；
以激励点优选结果为指导进行叶轮模态激光测振；为增强激光测试的反射光强度，在叶轮盘上粘贴反光纸，根据叶轮的结构特点，布置圆形扫描网格，避开叶轮盘圆角位置，布置5圈，每圈20个测点；测量固有频率时，在优选出的模态激励点位置用力锤施加激励力，力锤上的力传感器连接到激光测振仪的连接箱上用以采集激励信号，以激励点附近的任意两个扫描网格节点作为振动响应测点；力锤每敲击一次，高精度激光干涉仪输出激光，垂直照射到待测目标点上，同时收集由目标散射回激光，经干涉产生正比与目标速度的多普勒频移信号，经高速A/D变换后进入采集计算机，完成一个测点的振动响应信号测量；Polytec软件包根据各测点的振动响应信号解算出叶轮在受激振动下的振动频谱，根据谱峰确定出固有频率；
测量叶轮振型时，激振器通过功率放大器与激光面振仪的连接箱相连，由激光测振仪内置信号发生器产生单频正弦激振信号驱动激振器工作；同时，激光头按照扫描网格对测点逐个测量；Polytec软件包根据各测点的振动响应信号构造出叶轮的前5阶振型。
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