CN110926771A - 一种基于模态曲率误差法的叶片裂纹区域确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于模态曲率误差法的叶片裂纹区域确定方法，通过利用包络线法得到模态位移，利用模态曲率误差法对裂纹进行定位，仅需简单的工具仪器即可对叶片的裂纹进行定位，简单方便快捷，提高了检测效率，为后续叶片维修提供了技术支持，并节约了作业时间及成本；通过在铝质叶片和竹叶片上进行本申请的实验，获得良好的实验效果，其通用性强，精准度高，误差范围小，定位速度快，同时，该方法可以结合远程监控等手段，远距离实时对叶片使用过程进行监控，不需卸掉叶片，也不需要停机影响叶片的正常工作，可实时了解叶片结构内部健康情况以便及时预警。

Description

一种基于模态曲率误差法的叶片裂纹区域确定方法

技术领域

本发明涉及机械故障检测领域，具体而言，涉及一种基于模态曲率误差法的叶片裂纹区域确定方法。

背景技术

叶片在机械设备中有着广泛的应用，且损伤高发，因此对其进行快速的损伤检测显得十分重要。

经过申请人海量检索，发现现有技术中的叶片损伤检测方案如公开号为CN102998363B公开的一种发动机叶片原位超声检测方法，实现了原位检测，具备非常突出的经济价值和巨大的技术应用价值技术效果优良。或如公开号为CN103403515B公开的一种用于检测风力涡轮机叶片损伤的系统和方法，通过荧光探伤实现对叶片损伤的检测及定位。或如公开号为CN106762451B公开的一种基于无人机的风机叶片损伤检测方法、装置及系统，实现了利用无人机自动、准确地进行风机叶片损伤检测，提高了检测效率，为后续叶片维修提供了技术支持，并节约了作业时间及成本。

综上所述，现有技术中的叶片损伤检测方案大多要求比较严格，通用性不好，如磁粉探伤方法只能适用于铁磁性材料的表面损伤检测，荧光探伤方法仅能适用于结构件表面裂纹检测，且需在特殊光照环境中进行辨识，X射线检测设备昂贵，电磁辐射危害健康，而超声检测对工作表面要求严格，对缺陷揭示缺乏直观性，不适于表面缺陷的检测，而通过拍照检测的方法仅适用于适中大小的叶片，过大会影响分辨率以及效率，过小通过拍照会难以发现裂纹位置。

为了保证叶片损伤检测方法效果较好的情况下，扩大叶片损伤检测方法的通用性，特作出此发明。

发明内容

本发明提出了一种基于模态曲率误差法的叶片裂纹区域确定方法以解决所述问题，

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于模态曲率误差法的叶片裂纹区域确定方法，包括如下步骤：

步骤1，先使用激振系统扫频测出裂纹产生前后叶片的二阶固有频率，再使用激振系统分别激励出裂纹产生前后叶片的二阶固有振型；

步骤2，采用光流法单点测量法采集二阶固有频率时裂纹产生前后叶片共振时的振动信号并进行信号处理，然后使用包络线法分别选择裂纹产生前后叶片监测区域的最大位移作为其模态位移序列；

步骤3，利用步骤2得到的模态位移序列分别计算裂纹产生前后叶片的模态位移序列的离散曲率值，得到模态曲率序列；

步骤4，利用步骤3得到的模态曲率序列计算裂纹产生前后叶片的模态曲率误差序列；

步骤5，利用步骤4得到的模态曲率误差值序列对裂纹位置进行定位。

可选的，在步骤2中，得到叶片模态位移的方法为包络线法，选择m组最大位移向量Y₁,Y₂,…,Y_j,…,Y_m,其中,Y_j＝[Y_j1,Y_j2,…,Y_ji,…,Y_jn],为减小误差，取其平均值

作为模态位移：

其中：

可选的，在步骤3中，离散曲率的计算方法为：

裂纹产生前，Y方向模态振型向量Y为：

式中：Y_i表示裂纹产生前第i个节点的Y方向模态位移；

裂纹产生后，Y方向模态振型向量Y_h为：

式中：Y_hi表示裂纹产生后第i个节点的Y方向模态位移。

根据曲率公式分别得到裂纹产生前后Y方向的模态曲率：

式中，K_i，K_hi分别表示裂纹产生前后，第i个节点的模态曲率。

可选的，在步骤4中，计算模态曲率误差的方法为:

式中，

表示裂纹产生前后，第i个节点的模态曲率误差。

本发明所取得的有益技术效果是：

1、通过利用包络线法得到模态位移，利用模态曲率误差法对裂纹进行定位，仅需简单的非接触式测量仪器即可对叶片的裂纹进行定位，简单方便快捷，提高了检测效率，为后续叶片维修提供了技术支持，并节约了作业时间及成本。

2、通过在铝质叶片和竹叶片上进行本申请的实验，获得良好的实验效果，其通用性强，精准度高，误差范围小，定位速度快。

3、同时，该方法可以结合远程监控和远程叶片振动测量手段等手段，远距离实时对叶片使用过程进行监控，不需卸掉叶片，也不需要停机影响叶片的正常工作，可实时了解叶片结构内部裂纹扩展情况以便及时预警。

附图说明

从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。

图1是本发明实施例之一中一种基于模态曲率误差法的叶片裂纹区域确定方法的流程示意图；

图2是铝质叶片裂纹产生前后的二阶模态位移图；

图3为铝制叶片裂纹产生前后的二阶模态曲率误差图；

图4是竹制叶片裂纹产生前后的二阶模态位移图；

图5为竹制叶片裂纹产生前后的二阶模态曲率误差图。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。对于本领域技术人员而言，在查阅以下详细描述之后，本实施例的其它系统、方法和/或特征将变得显而易见。旨在所有此类附加的系统、方法、特征和优点都包括在本说明书内、包括在本发明的范围内，并且受所附权利要求书的保护。在以下详细描述描述了所公开的实施例的另外的特征，并且这些特征根据以下将详细描述将是显而易见的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明为一种基于模态曲率误差法的叶片裂纹区域确定方法，根据附图说明所示讲述以下实施例：

实施例一：

请参照图1，一种基于模态曲率误差法的叶片裂纹区域确定方法，包括如下步骤：

步骤1，先使用激振系统扫频测出裂纹产生前后叶片的二阶固有频率，再使用激振系统分别激励出裂纹产生前后叶片的二阶固有振型；

步骤2，采用光流法单点测量法采集二阶固有频率时裂纹产生前后叶片共振时的多个位置点振动信号并进行信号处理，然后使用包络线法分别选择裂纹产生前后叶片的最大位移作为其模态位移序列；

步骤3，利用步骤2得到的模态位移序列分别计算裂纹产生前后叶片的模态位移序列的离散曲率值，得到模态曲率序列；

步骤4，利用步骤3得到的模态曲率序列计算裂纹产生前后叶片的模态曲率误差序列；

步骤5，利用步骤4得到的模态曲率误差值序列对裂纹位置进行定位。

在步骤2中，得到叶片模态位移的方法为包络线法，选择m组最大位移向量Y₁,Y₂,…,Y_j,…,Y_m,其中,Y_j＝[Y_j1,Y_j2,…,Y_ji,…,Y_jn],为减小误差，取其平均值

作为模态位移：

其中：

实施例二：

在实施例一的基础上，为了进一步描述本发明一种基于模态曲率误差法的叶片裂纹区域确定方法，在步骤3中，离散曲率的计算方法为：

裂纹产生前，Y方向模态振型向量Y为：

式中：Y_i表示裂纹产生前第i个节点的Y方向模态位移。

裂纹产生后，Y方向模态振型向量Y_h为：

式中：Y_hi表示裂纹产生后第i个节点的Y方向模态位移。

根据曲率公式分别得到裂纹产生前后Y方向的模态曲率：

式中，K_i，K_hi分别表示裂纹产生前后，第i个节点的模态曲率；

在步骤4中，计算模态曲率误差的方法为:

式中，

表示裂纹产生前后，第i个节点的模态曲率误差；

由得到的模态曲率误差序列画出模态曲率误差图确定裂纹位置。

实施例三：

在实施例一以及实施例二的基础上，下面将采用铝制叶片和竹制叶片对基于模态误差曲率的方法进行测试，请再次参考图1以及以下三个步骤。

1.实验得到二阶模态位移

先使用激振系统扫频测出裂纹产生前后叶片的二阶固有频率，再使用激振系统分别激励出裂纹产生前后叶片的二阶固有振型；此时，采用光流法单点测量法采集二阶固有频率时裂纹产生前后叶片共振时的多位置点振动信号并进行信号处理，然后使用包络线法分别选择裂纹产生前后叶片的最大位移作为其模态位移序列。

针对铝制叶片和竹制叶片进行信号采集和计算得到的模态振动分别如图2，图4所示。

2.计算模态曲率误差

先分别计算裂纹产生前后叶片的模态位移序列的离散曲率值，得到模态曲率序列；然后计算裂纹产生前后叶片的模态曲率误差序列。

针对铝制叶片和竹制叶片进行信号采集和计算得到的模态振型分别如图3，图5所示。其中图3中分别给出了铝制叶片在裂纹产生前后的振型，体现了裂纹产生带来的振型变化，其中图5中分别给出了竹制叶片在裂纹产生前后的振型，体现了裂纹产生带来的振型变化，

3.根据模态曲率误差序列定位裂纹

根据计算得到的叶片模态曲率误差序列，检索序列中最大值位置，可以定位裂纹在最大值位置。

针对铝制叶片和竹制叶片计算得到的模态曲率误差序列检索最大值位置，确定裂纹在此位置和前一测量点之间的区域内，定位结果图分别如图3，图5所示。

综上所述,本发明提供了一种基于模态曲率误差法的叶片裂纹区域确定方法，通过利用包络线法得到模态位移，利用模态曲率误差法对裂纹进行定位，仅需简单的工具仪器即可对叶片的裂纹进行定位，简单方便快捷，提高了检测效率，为后续叶片维修提供了技术支持，并节约了作业时间及成本；通过在铝质叶片和竹叶片上进行本申请的实验，获得良好的实验效果，其通用性强，精准度高，误差范围小，定位速度快，同时，该方法可以结合远程监控等手段，远距离实时对叶片使用过程进行监控，不需卸掉叶片，也不需要停机影响叶片的正常工作，可实时了解叶片结构内部裂纹扩展情况以便及时预警。

虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。也就是说上面讨论的方法，系统和设备是示例。各种配置可以适当地省略，替换或添加各种过程或组件。例如，在替代配置中，可以以与所描述的顺序不同的顺序执行方法，和/或可以添加，省略和/或组合各种部件。而且，关于某些配置描述的特征可以以各种其他配置组合，如可以以类似的方式组合配置的不同方面和元素。此外，随着技术发展其中的元素可以更新，即许多元素是示例，并不限制本公开或权利要求的范围。

在说明书中给出了具体细节以提供对包括实现的示例性配置的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践配置,例如，已经示出了众所周知的电路，过程，算法，结构和技术而没有不必要的细节，以避免模糊配置。该描述仅提供示例配置，并且不限制权利要求的范围，适用性或配置。相反，前面对配置的描述将为本领域技术人员提供用于实现所描述的技术的使能描述。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

综上，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，以下权利要求(包括所有等同物)旨在限定本发明的精神和范围。以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于模态曲率误差法的叶片裂纹区域确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，先使用激振系统扫频测出裂纹产生前后叶片的二阶固有频率，再使用激振系统分别激励出裂纹产生前后叶片的二阶固有振型；

步骤2，采用光流法单点测量法采集二阶固有频率时裂纹产生前后叶片共振时的多位置点振动信号并进行信号处理，然后使用包络线法分别选择裂纹产生前后叶片监控区域的最大位移作为其模态位移序列；

步骤3，利用步骤2得到的模态位移序列分别计算裂纹产生前后叶片监控区域的模态位移序列的离散曲率值，得到模态曲率序列；

步骤4，利用步骤3得到的模态曲率序列计算裂纹产生前后叶片的模态曲率误差序列；

步骤5，利用步骤4得到的模态曲率误差值序列对裂纹位置区域进行确定。

2.如权利要求1所述的一种基于模态曲率误差法的叶片裂纹区域确定方法，其特征在于，在步骤2中，得到叶片模态位移的方法为包络线法，选择m组最大位移向量Y₁,Y₂,…,Y_j,…,Y_m,其中,Y_j＝[Y_j1,Y_j2,…,Y_ji,…,Y_jn],为减小误差，取其平均值

作为模态位移：

其中：

3.如前述权利要求之一所述的一种基于模态曲率误差法的叶片裂纹区域确定方法，其特征在于，在步骤3中，离散曲率的计算方法为：

裂纹产生前，Y方向模态振型向量Y为：

式中：Y_i表示裂纹产生前第i个节点的Y方向模态位移；

裂纹产生后，Y方向模态振型向量Y_h为：

式中：Y_hi表示裂纹产生后第i个节点的Y方向模态位移。

根据曲率公式分别得到裂纹产生前后Y方向的模态曲率：

式中，K_i，K_hi分别表示裂纹产生前后，第i个节点的模态曲率。

4.如前述权利要求之一所述的一种基于模态曲率误差法的叶片裂纹区域确定方法，其特征在于，在步骤4中，计算模态曲率误差的方法为:

式中，

表示裂纹产生前后，第i个节点的模态曲率误差。

5.如前述权利要求之一所述的一种基于模态曲率误差法的叶片裂纹区域确定方法，其特征在于，在步骤5中，在模态曲率误差序列

检索到最大幅值的分量▽K_i，则叶片裂纹可以定位在第[i-1,i]个位置点之间的区域中。

Images