CN109582988A - 航空发动机叶片的振动应力监测用应变片位置的确定方法 - Google Patents

航空发动机叶片的振动应力监测用应变片位置的确定方法 Download PDF

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Abstract

一种航空发动机叶片的振动应力监测用应变片位置的确定方法，适合于在有限元分析软件中确定贴片位置，精度较高且成本极低:建立叶片有限元模型，在叶片表面设定可用于粘贴应变片的节点集，利用软件完成包含单元结果的模态分析，确定危险模态；选择需要监测的模态；选择贴片节点集内的节点，建立叶片表面坐标系，并提取节点表面应力，计算节点敏感性；旋转叶片表面坐标系，获得不同的节点的敏感性，直至获得该节点的最大敏感性；不断重复前一步骤，获得贴片节点集的各节点针对此阶模态的最大敏感性和角度；循环控制以获得所有可贴片节点对不同模态的最大敏感性和角度；综合考虑贴片节点集中各节点针对各阶模态的最大敏感性选择用于贴片的节点。

Description

航空发动机叶片的振动应力监测用应变片位置的确定方法
技术领域
本发明涉及确定应变片贴片位置的方法，其用于航空发动机叶片的叶片振动应力监测。
背景技术
叶片振动是航空发动机叶片不可避免的重大难题，70％以上的发动机叶片故障均是叶片振动问题。因此，叶片振动应力监测是保证发动机试验件安全运转的必要手段。应变片被广泛用于监测叶片的振动应力，通过应变片可以获得叶片的最大振动应力及振动应力的频率，从而可以避免叶片的有害振动，保证发动机试验件的安全运转。
传统的应变片贴片位置的确定或基于经验或者根据试验不断逼近最佳贴片位置(如公开号为CN 106323208 A的专利所述)，基于经验的方法往往精度较低；而基于试验的方法往往需要较长的试验分析过程，且时间和加工成本较高。
目前也存在部分商用应变片分析软件在提取有限元分析软件的分析结果的基础上，独立于有限元分析软件开展应变片贴片位置分析。但实际分析过程或脱离了有限元分析软件，无法在有限元分析软件中直接分析并显示；或分析成本较高(如软件采购费用/授权费用)等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种航空发动机叶片的振动应力监测用应变片位置的确定方法，其适合于在有限元分析软件中直接进行分析并确定贴片位置，精度较高且成本极低。
一种航空发动机叶片的振动应力监测用应变片位置的确定方法包括如下步骤：
步骤一，建立叶片有限元模型，在叶片表面设定可用于粘贴应变片的节点集，即贴片节点集；
步骤二，利用软件完成包含单元结果的模态分析；
步骤三，确定危险模态；
步骤四，选择需要监测的模态；
步骤五，选择贴片节点集内的节点，建立叶片表面坐标系，并提取节点表面应力，计算节点敏感性；
步骤六，旋转叶片表面坐标系，获得不同的节点的敏感性，直至获得该节点的最大敏感性；
步骤七，重复步骤五和六，获得贴片节点集的各节点针对此阶模态的最大敏感性和角度；
步骤八，重复步骤四、五和六，获得所有可贴片节点对不同模态的最大敏感性和角度；
步骤九，综合考虑贴片节点集中各节点针对各阶模态的最大敏感性选择节点，实现单节点监测多个模态。
根据本发明的一个实施例，在步骤五中，首先选择一个要分析的节点，然后选择两个距离该节点最近的节点，建立局部坐标系，提取节点的表面应力，计算表面应力的敏感性。
根据本发明的一个实施例，在步骤六中，在角度范围0～360°内逐次旋转节点坐标系，每次旋转后提取相应节点的表面应力，经过比较，获得所有角度的表面应力和相应敏感性。
根据本发明的一个实施例，步骤一至步骤九在有限元分析软件中实施，该确定方法还包括步骤十，输出选择节点的坐标和角度。
根据本发明的一个实施例，在步骤三中，通过响应分析、振动应力评估以及坎贝尔图确定危险模态。
根据本发明的一个实施例，在步骤五中，按照如下公示计算敏感性：
通过本发明提供的技术方案可以看出，这种应变片贴片位置确定方法可以基于通用的有限元分析软件，无需额外采购商用应变片分析软件，解决了使用商用软件分析成本过高的问题；同时，根据有限元分析软件本身的分析能力来确定贴片位置，使得分析精度较高；此外，这种方法无需设计额外的试验，避免了试验所带来的时间较长和成本较高的问题。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1为叶片有限元模型的示意图。
图2为叶片的模态应力分布示意图。
图3为确定危险模态的坎贝尔图。
图4为应变片位置的确定方法步骤五的示意图。
图5为应变片位置的确定方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
在后述实施例中，以商业分析软件ANSYS为例，详细说明确定应变片贴片位置的方法，该方法能够在有限元分析软件中直接进行分析并确定贴片位置，所见即所得，精度较高且成本极低，其包括如下步骤。
同时结合图5至图1，在步骤一中，建立叶片有限元模型，在叶片表面设定可用于粘贴应变片的节点集，即贴片节点集，在图1中，叶片1的叶身部分为贴片节点集，建立叶片有限元模型可以先利用CAD软件建模，然后导入到网格划分软件，例如HYPERMESH软件中设定有限元分析的网格。
在步骤二中，利用ANSYS完成包含单元结果的模态分析，以ANSYS13.0为例，开展叶片模态分析，得到某叶片振动应力分布如图2所示。
在步骤三中，确定危险模态，使用响应分析、振动应力评估，坎贝尔图等方法，根据不同的危险模态判断原则，判断危险模态。例如，以图3所示的坎贝尔图为例，若以与激励源存在交点即危险的原则，那么第1～6阶均为危险模态。
4.选择需要监测的模态，按照步骤3中确定的危险模态，在有限元分析软件中选择对应的模态。例如，在ANSYS中使用如下命令选择第3个模态：
/POST1
SET,,,,,,,3。
步骤五，选择贴片节点集内的节点，建立叶片表面坐标系，并提取节点表面应力，计算节点敏感性；如图4所示，选择贴片节点集内某个节点，例如节点A；选择其周边最近的2个节点，例如节点B和节点C；根据这3个节点建立以节点A为原点的局部坐标系，例如坐标系20000。
提取节点表面应力，并按照如下公式计算敏感性：
节点敏感性＝节点表面应力/最大模态应力×100％
例如，使用如下ANSYS命令，获得节点A的表面应力SURF_X和最大模态应力MAXEQV：
/POST1
RSYS,20000
*GET,SURF_X,NODE,A,S,X
ALLS
NSORT,S,EQV
*GET,MAXEQV,SORT,0,MAX
使用上述命令，依次可获得节点A在坐标系20000下的表面应力为27000MPa，最大模态应力为101057，那么节点A的敏感性即为：
节点A敏感性＝27000/101057×100％＝26.7％
步骤六，旋转叶片表面坐标系，角度范围0～360°，获得不同的节点的敏感性，直至获得该节点的最大敏感性，在有限元软件中不断旋转局部坐标系20000，每次旋转后获取节点A表面应力，进而计算得到节点A的敏感性，直至获得节点A的最大敏感性。
例如，使用如下ANSYS命令使节点坐标系20000绕其Z轴10度，并获得节点A的新的表面应力：
/POST1
WPCSYS,-1,20000,
wpro,10.000000,,
RSYS,4
*GET,SURF_X,NODE,A,S,X
得到节点A新的表面应力为26500，对应敏感性为26.2％。
不断旋转坐标系至不同角度，直至获得节点A最大敏感性，例如最大敏感性45％,对应角度ANGLE_A。
步骤七，重复步骤5和6，获得所有可贴片节点针对此阶模态的最大敏感性和角度，例如，在ANSYS中，使用循环控制选择节点集中的不同节点
*DO,I,N1,N2！N1和N2分别为节点集中最大和最小节点号
…
*ENDDO
步骤八，重复步骤4、5和6，获得所有可贴片节点对不同模态的最大敏感性和角度，根据有限元软件可编程的特性，采用嵌套循环的方式实现，例如，在ANSYS中按如下方式嵌套循环：
*DO,J,M1,M2！M1和M2分别为危险模态中的最小和最大模态序号
…
*DO,I,N1,N2
…
*ENDODO
…
*ENDDO
步骤九，综合考虑贴片节点集中各节点针对各阶模态的最大敏感性，择优选择节点(即应变片中心点)，实现单节点监测多个模态；根据步骤7和8获得了贴片节点集中所有节点对各阶模态的敏感性，按照不同原则选择贴片位置。例如，节点A对模态1～4均具有较高敏感性，节点B对模态2～3有较高敏感性，按照监测模态最多的原则，选择贴片位置为节点A的位置。
步骤十，输出应变片中心点的坐标和角度。在有限元软件中获得节点A的坐标(LOC_X,LOC_Y,LOC_Z)以及步骤6中获得的角度ANGLE_A。例如，在ANSYS中使用如下命令获得：
/POST1
CSYS,0
*GET,LOC_X,NODE,A,LOC,X
*GET,LOC_Y,NODE,A,LOC,Y
*GET,LOC_Z,NODE,A,LOC,Z
前述实施例，利用有限元分析能力和可编程能力，开发出一种确定应变片贴片位置的方法，降低了应变片贴片位置分析所需的时间和成本，提高了分析精度。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (6)

1.航空发动机叶片的振动应力监测用应变片位置的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，建立叶片有限元模型，在叶片表面设定可用于粘贴应变片的节点集，即贴片节点集；
步骤二，利用软件完成包含单元结果的模态分析；
步骤三，确定危险模态；
步骤四，选择需要监测的模态；
步骤五，选择贴片节点集内的节点，建立叶片表面坐标系，并提取节点表面应力，计算节点敏感性；
步骤六，旋转叶片表面坐标系，获得不同的节点的敏感性，直至获得该节点的最大敏感性；
步骤七，重复步骤五和六，获得贴片节点集的各节点针对此阶模态的最大敏感性和角度；
步骤八，重复步骤四、五和六，获得所有可贴片节点对不同模态的最大敏感性和角度；
步骤九，综合考虑贴片节点集中各节点针对各阶模态的最大敏感性选择节点，实现单节点监测多个模态。
2.如权利要求1所述的应变片位置的确定方法，其特征在于，在步骤五中，首先选择一个要分析的节点，然后选择两个距离该节点最近的节点，建立局部坐标系，提取节点的表面应力，计算表面应力的敏感性。
3.如权利要求2所述的应变片位置的确定方法，其特征在于，在步骤六中，在角度范围0～360°内逐次旋转节点坐标系，每次旋转后提取相应节点的表面应力，经过比较，获得所有角度的表面应力和相应敏感性。
4.如权利要求1所述的应变片位置的确定方法，其特征在于，步骤一至
步骤九在有限元分析软件中实施，该确定方法还包括步骤十，输出选择节点的坐标和角度。
5.如权利要求1所述的应变片位置的确定方法，其特征在于，在步骤三中，通过响应分析、振动应力评估以及坎贝尔图确定危险模态。
6.如权利要求1所述的应变片位置的确定方法，其特征在于，在步骤五中，按照如下公示计算敏感性：
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