CN109682570A - 一种非对称尾部形状水翼的水力阻尼比识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种非对称尾部形状水翼的水力阻尼比识别方法，包括，产生振动响应；得到振动响应的频率成分；消除干扰，得到滤波后新的振动响应；定位新振动响应的极大值和极小值，并得到振动响应平衡点；拟合所有振动响应平衡点，并得到拟合曲线对应的离散点的位移；通过平衡点之间的振动响应减去离散点的位移，得到校准后振动响应；再次定位校准后振动响应的极大值和极小值；采用对数衰减法基于上下极值点得到水力阻尼比；当上下水力阻尼比相对误差小于0.5％时，取两者平均值为最终值，否则回到S5进行迭代修正。该方法将大幅度提高复杂非定常水力激振条件下叶片结构水力阻尼特性的识别精度，进而提高水下结构流激振动幅值和疲劳寿命预测精度。

Description

一种非对称尾部形状水翼的水力阻尼比识别方法

技术领域

本发明实施例涉及流固耦合领域，尤其涉及一种非对称尾部形状水翼的水力阻尼比识别方法。

背景技术

由于风能、太阳能等新能源储备的要求，抽水蓄能工程越来越多。水泵水轮机工作时需要频繁地在不同工况间切换，尤其是需要在非设计工况运行，这也增加了叶轮承受高幅值动态结构应力的危险。因此，在设计阶段预测叶轮的疲劳寿命非常重要。通过增大水力机械的阻尼，可以有效地抑制共振时的振幅，提高水力机械系统运行稳定性。对于水力机械而言，由于其内部流速可达40m/s，为高速湍流状态，此时水力阻尼远大于结构阻尼和材料阻尼。水力阻尼比与振动幅值的衰减速度相关，其识别精度对疲劳寿命的预测精度有重要影响。

流体以一定的雷诺数绕流水翼时，会在其尾部形成交替脱落的卡门涡街。对于对称尾部形状水翼，卡门涡引起水翼正背面压力交替对称变化，水翼受到交变载荷激励后产生涡激振动。对于非对称尾部形状水翼，不仅受到涡激振动影响，而且在恒定或动态攻角来流条件下，水翼正背面会有显著的压力差存在。在非定常流动中，涡激振动和压力差导致的升力作用对振动信号产生干扰。消除外力对振动响应的影响，对提高水力阻尼比识别具有重要的作用。

现有的水力阻尼比识别方法，主要针对对称尾部形状的水翼。当尾部不对称时，叶片吸力面和压力面产生的升力作用对振动响应的干扰不可忽略，即使来流条件为零攻角时，水翼仍然会受到较大升力的作用，很难精确地识别水力阻尼比。

发明内容

本发明实施例提供一种非对称尾部形状水翼的水力阻尼比识别方法，以解决现有技术中存在的缺陷，实现在升力作用下也能够精确识别非对称尾部形状水翼的水力阻尼比。

本发明实施例提供一种非对称尾部形状水翼的水力阻尼比识别方法，包括：

S1，激励非对称尾部形状水翼，使其产生振动响应；

S2，通过记录尾部特定位置瞬态变形量，获取水翼的原始振动响应；

S3，得到原始振动响应的频率成分，并确定所需的某一阶模态对应的固有频率范围；

S4，对原始振动响应进行滤波处理，消除其他频率成份的干扰，得到滤波后振动响应；

S5，定位滤波后振动响应的所有极大值和极小值，找到两个相邻极大值和极小值中间时刻对应的点，并将其定义为振动响应平衡点；

S6，采用光滑样条曲线拟合所有的振动响应平衡点，并根据振动响应在第一个振动响应平衡点和最后一个振动响应平衡点之间的时间节点，找到拟合曲线对应的离散点的位移；

S7，将第一个振动响应平衡点和最后一个振动响应平衡点之间的振动响应减去拟合曲线离散点的位移，得到校准后振动响应；

S8，再次定位校准后振动响应的所有极大值和极小值；

S9，采用对数衰减法基于S8中的极大值和极小值得到相应的水力阻尼比；

S10，得到S9中水力阻尼比的相对误差，当相对误差小于0.5％时，取两者平均值为最终水力阻尼比。

进一步，所述S1包括在零攻角来流条件下，基于实验或者数值模拟方法，激励非对称尾部形状水翼，使其产生振动响应。

进一步，所述S1还包括基于实验或者数值模拟方法，在水翼表面施加一个瞬态激励，使得水翼产生振动响应。

进一步，所述S1还包括在水翼尾部0.5倍展向宽度、0.5倍尾部厚度处设置振动响应监测点，采用实验或者数值模拟方法获取振动响应。

进一步，所述S3包括采用基于Flattop(平顶)窗函数的快速傅里叶变换，得到原始振动响应的频率成分。

进一步，所述S4包括采用巴特沃斯带通滤波器对原始振动响应进行滤波处理，消除旋涡脱落频率和水翼其他阶固有频率成分，得到滤波后的振动响应。

进一步，所述巴特沃斯带通滤波器的通带频率为所需模态固有频率的正负50Hz。

进一步，所述S10还包括当相对误差大于0.5％，则返回S5迭代修正直至满足精度要求。

本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被执行时，实现上述非对称尾部形状水翼的水力阻尼比识别方法。

本发明实施例提供的非对称尾部形状水翼的水力阻尼比识别方法，通过采用巴特沃斯带通滤波器处理原始振动响应信号，消除了其他阶模态固有频率和旋涡脱落频率对振动响应的干扰；采用光滑样条曲线拟合振动响应平衡点，并对振动信号进行校准，消除了非对称尾部形状水翼受到的升力作用对振动响应的干扰；采用对数衰减法拟合所有极大值点和极小值点，并取两者的平均结果作为最终的水力阻尼比，消除了数据处理误差对识别精度的影响；采用迭代运算方式，把水力阻尼比识别误差降低到0.5％以下。由此，显著提高了在较大升力情况下对非对称尾部形状水翼的水力阻尼比的识别精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的非对称尾部形状水翼的水力阻尼比识别方法流程图；

图2为本发明滤波前振动响应时域图；

图3为本发明滤波前振动响应经过快速傅里叶变换后得到的频域图；

图4为本发明滤波后振动响应时域图；

图5为本发明振动响应平衡点示意图；

图6为本发明平衡点拟合方式示意图；

图7为本发明振动响应校准方式示意图；

图8为本发明水力阻尼比识别示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种非对称尾部形状水翼的水力阻尼比识别方法，包括以下步骤：

S1，在恒定或动态攻角条件下，基于双向流固耦合数值模拟方法，在非对称尾部形状水翼表面施加一个瞬态激励，使其产生振动响应。其中，激励的大小与时间关系可表示为：

其中，F(t)表示施加的激励，单位为N，t表示时间，单位为s。

S2，流场中，在水翼尾部中心位置(即水翼尾部0.5倍展向宽度和0.5倍尾部厚度处)设置监测点，记录流场的动网格变形，从而获取结构的振动响应；

S3，采用基于Flattop(平顶)窗函数的快速傅里叶变换，得到振动响应的频率成分，并确定第一阶弯曲模态的固有频率；

S4，采用巴特沃斯带通滤波器对原始振动响应进行滤波处理，消除旋涡脱落频率和水翼其他阶固有频率对振动响应的干扰，得到滤波后的振动响应；

S5，找到滤波后振动响应极大值和极小值，找到相邻两者中间时刻对应的点，并将其定义为振动响应平衡点；

S6，采用光滑样条曲线拟合所有的振动响应平衡点，并根据振动响应在第一个振动响应平衡点和最后一个振动响应平衡点之间的时间节点，找到拟合曲线对应的离散点的位移；

S7，将第一个振动响应平衡点和最后一个振动响应平衡点之间的振动响应减去拟合曲线离散点的位移，得到校准后振动响应；

S8，再次定位校准后振动响应的所有极大值点和极小值点；

S9，采用对数衰减法基于上下极值点识别水力阻尼比；

S10，得到基于上下极值点识别的水力阻尼比的相对误差，相对误差小于0.5％时，取两者平均值为最终值。

进一步，如相对误差大于0.5％，则回到S5迭代修正直至满足精度要求。

下面，结合三维非对称尾部形状水翼进一步说明本发明的方法。

如图2所示，攻角为0°时，在15m/s来流速度下对三维非对称尾部形状水翼(例如，NACA0009尾部修圆形式水翼)进行双向流固耦合计算，得到的振动响应时域图。

如图3所示，对振动响应时域图经过快速傅里叶变换后，得到原始振动响应频域图，其中第一阶弯曲模态对应的固有频率为146.11Hz。

如图4所示，采用巴特沃斯带通滤波器对原始振动响应进行滤波处理，其通带频率为第一阶模态固有频率的正负50Hz，即通带频率为96.11-196.11Hz。只保留第一阶弯曲模态频率成分，得到滤波后的振动响应时域图。

如图5所示，定位滤波后振动响应时域图的所有极大值点和极小值点，将相邻两个极大值和极小值的中间时刻对应的点定义为振动响应平衡点，找到所有振动响应平衡点。

如图6所示，采用光滑样条曲线拟合所有的振动响应平衡点，根据振动响应在第一个振动响应平衡点和最后一个振动响应平衡点之间的时间节点，找到拟合曲线对应的离散点的位移。

如图7所示，将第一个振动响应平衡点和最后一个振动响应平衡点之间的振动响应减去拟合曲线离散点的位移，得到校准后新的振动响应。

如图8所示，定位校准后振动响应的所有极大值点和极小值点，采用对数衰减法基于上下极值点识别水力阻尼比。得到基于上下极值点识别的水力阻尼比分比为0.1281和0.1279，相对误差为0.16％，小于0.5％，得到最终的水力阻尼比为0.1280。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种非对称尾部形状水翼的水力阻尼比识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1激励非对称尾部形状水翼，使其产生振动响应；

S2通过记录尾部特定位置瞬态变形量，获取水翼的原始振动响应；

S3得到原始振动响应的频率成分，并确定所需的某一阶模态对应的固有频率范围；

S4对原始振动响应进行滤波处理，消除其他频率成份的干扰，得到滤波后振动响应；

S5定位滤波后振动响应的所有极大值和极小值，找到两个相邻极大值和极小值中间时刻对应的点，并将其定义为振动响应平衡点；

S6采用光滑样条曲线拟合所有的振动响应平衡点，并根据振动响应在第一个振动响应平衡点和最后一个振动响应平衡点之间的时间节点，找到拟合曲线对应的离散点的位移；

S7将第一个振动响应平衡点和最后一个振动响应平衡点之间的振动响应减去拟合曲线离散点的位移，得到校准后振动响应；

S8再次定位校准后振动响应的所有极大值和极小值；

S9采用对数衰减法基于S8中的极大值和极小值得到相应的水力阻尼比；

S10得到S9中水力阻尼比的相对误差，当相对误差小于0.5％时，取两者平均值为最终水力阻尼比。

2.根据权利要求1所述的非对称尾部形状水翼的水力阻尼比识别方法，其特征在于，所述步骤S10还包括当相对误差大于0.5％，则返回S5迭代修正直至满足精度要求。

3.根据权利要求1所述的非对称尾部形状水翼的水力阻尼比识别方法，其特征在于，所述步骤S1包括在恒定或动态攻角来流条件下，基于实验或者数值模拟方法，激励非对称尾部形状水翼，使其产生振动响应。

4.根据权利要求2所述的非对称尾部形状水翼的水力阻尼比识别方法，其特征在于，所述步骤S1还包括基于实验或者数值模拟方法，在水翼表面施加一个瞬态激励，使得水翼产生振动响应，其中，瞬态激励的大小和时间关系可表示为：

其中F(t)表示施加的激励，单位为N，t表示时间，单位为s。

5.根据权利要求3所述的非对称尾部形状水翼的水力阻尼比识别方法，其特征在于，所述步骤S1还包括在水翼尾部0.5倍展向宽度、0.5倍尾部厚度处设置振动响应监测点，采用实验或者数值模拟方法获取振动响应。

6.根据权利要求1所述的非对称尾部形状水翼的水力阻尼比识别方法，其特征在于，所述步骤S3包括采用基于平顶窗函数的快速傅里叶变换，得到原始振动响应的频率成分。

7.根据权利要求1所述的非对称尾部形状水翼的水力阻尼比识别方法，其特征在于，所述步骤S4包括采用巴特沃斯带通滤波器对原始振动响应进行滤波处理，消除旋涡脱落频率和水翼其他阶固有频率成分，得到滤波后的振动响应。

8.根据权利要求6所述的非对称尾部形状水翼的水力阻尼比识别方法，其特征在于，所述巴特沃斯带通滤波器的通带频率为所需模态固有频率的正负50Hz。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被执行时，实现如权利要求1至8任一项所述的方法。