CN112541283B - 一种基于位移-应变传递比的转子叶片裂纹损伤识别方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种基于位移‑应变传递比的转子叶片裂纹损伤识别方法，方法中，建立转子叶片的三维模型，在不同转速工况下对三维模型进行模态分析，提取位移测点的位移振型以及应变测点的应变振型，确定叶端定时传感器弦向安装位置和周向安装角度以修正叶片叶端实测振幅值；确定应变片的安装位置与安装方向；利用已安装的应变片获取应变测点安装方向的应变信号，对应变信号进行快速傅里叶变换，提取应变信号在转子叶片共振点处的应变振幅；计算待测转子叶片在单模态共振状态下的位移‑应变传递比，通过监测转子叶片在单模态共振状态下位移‑应变传递比值，并与数据库中相同工况下叶片位移‑应变传递比基准值进行比较，判断转子叶片是否发生裂纹损伤。

Description

一种基于位移-应变传递比的转子叶片裂纹损伤识别方法

技术领域

本发明属于转子叶片损伤检测的技术领域，特别是一种基于位移-应变传递比的转子叶片裂纹损伤识别方法。

背景技术

转子叶片是航空发动机关键零部件之一，其在航空发动机中数量十分庞大。由于转子叶片高速旋转，在实际工作时，转子叶片承受离心拉应力、离心弯矩等复杂应力和弯矩，更受到气动载荷等交变力的作用，复杂的受力和工作环境使转子叶片成为了发动机试验和使用中故障率最高的零部件。转子叶片的疲劳断裂会很大程度上影响整体发动机性能，有时甚至会引发严重飞行事故。而叶片早期萌生的微小裂纹很难被监测和诊断，这都严重地威胁着航空发动机的运行安全。因此，在航空发动机运行的过程中，对叶片振动参数进行实时监测，能有效掌握叶片的工作状况及损伤程度，为发动机的运行状态评估和维修提供数据支持，对于降低发动机维修成本，保证发动机的运行安全有着重要意义。

当航空发动机叶片产生疲劳裂纹等损伤时，其振动状态会发生改变，某些振动参数也会变化，这些振动参数的变化便能作为监测叶片裂纹损伤的指标，一个典型的损伤监测指标是叶片固有频率。然而在实际应用中，固有频率变化对于叶片结构早期的损伤并不敏感，当固有频率有了明显变化时，叶片的裂纹损伤已经到了很严重的地步。因此，需要对损伤敏感的指标进行提取，提出位移-应变传递比，实现了叶片早期裂纹损伤的有效监测。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于位移-应变传递比的叶片裂纹损伤识别方法，本发明通过提出了一种更为有效的叶片裂纹损伤监测指标-位移-应变传递比，解决了传统损伤监测指标例如固有频率对结构早期损伤不敏感的问题，通过测点的位移及应变信息与简单的计算便能识别转子叶片的早期裂纹损伤。

当叶片发生某阶模态共振时，叶片一点位移响应与叶片另一点应变响应存在恒定的比值关系，称其比值为位移-应变响应传递比，此传递比只与叶片的位移模态振型及应变模态振型有关，而与激励的种类、分布和大小均无关。对于正常无损伤叶片而言，其发生某阶模态共振时，其振动参数例如固有频率、模态振型都是不会改变的，因而位移-应变响应传递比也不会改变；当叶片出现了裂纹损伤，其在共振状态下，相同阶次的共振模态振型较正常无损伤叶片会发生变化，因而位移-应变响应传递比也会发生变化。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种基于位移-应变传递比的转子叶片裂纹损伤识别方法包括以下步骤：

第一步骤中，建立转子叶片的三维模型，有限元分析获得所述三维模型单模态共振状态下位移振型分布云图及应变振型分布云图，根据叶端定时传感器理论测量范围在叶片有限元模型叶端确定位移测点，在叶片最大应变区附近确定一个应变测点；

第二步骤中，在不同转速工况下对所述三维模型进行模态分析，提取所述位移测点的位移振型以及所述应变测点的应变振型，以计算单模态共振状态下所述位移测点及应变测点的位移-应变传递比，利用计算得到的所述位移-应变传递比建立不同转速工况下三维模型位移-应变传递比数据库，作为转子叶片在不同转速工况下未发生破坏时的位移-应变传递比基准值；

第三步骤中，基于叶片共振模态数目确定叶端定时传感器安装数目；确定叶端定时传感器弦向安装位置和周向安装角度；确定应变片的安装位置与安装方向；

第四步骤中，针对转子叶片，根据所述叶端定时传感器安装位置、安装角度以及安装数目安装叶端定时传感器，根据所述应变片安装位置与安装方向安装应变片，并在不同转速工况下开展旋转实验，当转子叶片发生单模态共振时，利用已安装的叶端定时传感器，获取转子叶片叶端所述位移测点的位移振幅测量值，基于转子叶片几何关系以及叶端定时传感器安装位置和角度，对所述位移振幅测量值进行修正，即利用叶端定时传感器弦向安装位置和周向安装角度计算出叶片弦线与叶盘轴线的交错角，利用此角度计算并获取叶片叶端所述位移测点的位移振幅真实值；利用已安装的应变片获取所述应变测点所述安装方向的应变信号，对所述应变信号进行快速傅里叶变换，提取所述应变信号在转子叶片共振点处的应变振幅；

第五步骤中，根据所述位移测点的所述位移振幅真实值，以及所述应变测点所述安装方向的所述应变振幅，计算待测转子叶片在单模态共振状态下的位移-应变传递比，通过监测转子叶片在单模态共振状态下位移-应变传递比值，并与所述数据库中相同工况下叶片位移-应变传递比基准值进行比较，判断转子叶片是否发生裂纹损伤：若位移-应变传递比相较于基准值变化率绝对值超过0.2％，则认为叶片发生裂纹损伤；反之则认为未发生裂纹损伤。

所述的方法中，第一步骤中，根据叶端定时传感器理论测量位置确定位移测点，叶端定时传感器理论测量范围包括叶片整个叶端，具体测量位置视实际安装情况而定；在叶片最大应变区附近选取应变测点。

所述的方法中，第二步骤中，获取不同转速下的位移测点的位移振型χ和应变测点的应变振型ε，计算各转速下转子叶片位移-应变传递比值K，

将所述位移-应变传递比值作为正常无损伤转子叶片位移-应变传递比基准值，建立不同转速工况下所述三维模型基准值数据库。

所述的方法中，第三步骤中，确定叶端定时传感器数目，以利用周向傅里叶拟合算法得到叶片振动参数，周向傅里叶法拟合叶片振动参数要求转子叶片沿机匣周向安装的叶端定时传感器数目n_btt与振动模态数目n_m的关系为：n_btt≥2n_m+1。

所述的方法中，单模态中，n_m＝1，n_btt≥3。

所述的方法中，第三步骤中，确定叶端定时传感器周向安装角度中，构造单模态下叶端定时传感器机匣周向布局下的测量角度布局矩阵S_btt：

其中，测量角度布局矩阵S_btt大小为n_btt×(2n_m+1)，θ_j表示叶端定时传感器j在机匣布置的角度，j＝1，...n_btt，n_btt表示转子叶片沿机匣周向布置的叶端定时传感器总数目，EO_i表示关注的激励阶次，i＝1，...n_m；转速传感器所在机匣的位置作为参考基准0°，在机匣周向随机选择n_btt个角度，并排除机匣周向限制安装的角度位置形成测量位置，并以角度分布作为叶端定时传感器沿机匣周向安装的位置角度。

所述的方法中，第三步骤中，在所述叶片三维有限元模型靠近最大应变位置布置一个应变片，根据所述叶片三维有限元模型应变模态振型确定所述应变片方向。

所述的方法中，第四步骤中，应变遥测系统或者滑环引电器获取应变测点的应变信号，所述应变信号包括应变时域信号。

所述的方法中，利用叶端定时传感器获取转子叶片叶端所述位移测点的位移振幅测量值中，利用n_btt个叶端定时传感器获得转子叶片叶端测点第N转内的n_btt个时间点叶端振动数据，得到叶端欠采样单模态振动信号u_btt(t)，周向傅里叶拟合算法得到单模态振动参数：

其中，

c表示叶片静变形，A_i表示振幅、f_i表示模态频率、

代表初始相位；上标

表示矩阵的广义逆；上标T表示矩阵的转置。

所述的方法中，第四步骤中，基于转子叶片几何关系对所述位移振幅测量值进行修正包括，

叶端定时传感器采集转子叶片沿旋转方向的位移振幅测量值A_m，当转子叶片发生扭振时，实际位移振幅A_r和位移振幅测量值A_m之间的关系：A_r＝A_mcosθ_B，其中θ_B为叶片弦线与叶盘轴线的交错角。

所述的方法中，转子叶片的交错角为：

其中：

b＝P_2z-P_1z，

和

表示沿转子叶片弦向布置的两个传感器的周向坐标；P_1z和P_2z为两个传感器的轴向坐标；R表示传感器与叶盘轴线中心之间的距离；d₁和d₂表示两个传感器测得的位移振幅。

有益效果

本发明利用位移-应变传递比作为叶片裂纹损伤监测的新指标，比传统监测固有频率的变化效果更明显；利用较少的测点实现叶片单模态共振状态下的裂纹损伤监测，节约了安装成本，也使监测过程更简便；本发明利用位移-应变传递比作为叶片裂纹损伤监测的新指标，其对转速不敏感，能适应不同转速工况下的裂纹损伤监测，适应范围广。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅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。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是本发明方法流程图；

图2(a)和图2(b)是叶片一阶位移模态振型图和一阶应变模态振型图，其中，2(a)第一阶位移模态振型，2(b)一阶应变模态振型；

图3是位移和应变测点分布示意图；

图4是含裂纹的叶片结构图；

图5是四种不同转速工况下，位移-应变传递比随叶片裂纹长度变化情况示意图；

图6是四种不同转速工况下，叶片一阶固有频率随叶片裂纹长度变化情况示意图；

图7是本发明测量位移振幅修正的几何关系示意图；

图8是本发明计算交错角的几何关系示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至附图8更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

一种基于位移-应变传递比的叶片裂纹损伤识别方法包括以下步骤：

第一步骤中，建立转子叶片的三维模型，有限元分析获得所述三维模型单模态共振状态下位移振型分布云图及应变振型分布云图，根据叶端定时传感器理论测量范围在叶片有限元模型叶端确定位移测点，在叶片最大应变区附近确定一个应变测点；

第二步骤中，在不同转速工况下对所述三维模型进行模态分析，提取所述位移测点的位移振型以及所述应变测点的应变振型，以计算单模态共振状态下所述位移测点及应变测点的位移-应变传递比，利用计算得到的所述位移-应变传递比建立不同转速工况下三维模型位移-应变传递比数据库，作为转子叶片在不同转速工况下未发生破坏时的位移-应变传递比基准值；

第三步骤中，基于叶片共振模态数目确定叶端定时传感器安装数目，以利用周向傅里叶方法拟合获取叶片振动参数；确定叶端定时传感器弦向安装位置和周向安装角度；确定应变片的安装位置与安装方向；

第四步骤中，针对转子叶片，根据所述叶端定时传感器安装位置、安装角度以及安装数目安装叶端定时传感器，根据所述应变片安装位置与安装方向安装应变片，并在不同转速工况下开展旋转实验，当转子叶片发生单模态共振时，利用已安装的叶端定时传感器，获取转子叶片叶端所述位移测点的位移振幅测量值，基于转子叶片几何关系以及叶端定时传感器安装位置和角度，对所述位移振幅测量值进行修正，即利用叶端定时传感器弦向安装位置和周向安装角度计算出叶片弦线与叶盘轴线的交错角，利用此角度计算并获取叶片叶端所述位移测点的位移振幅真实值；利用已安装的应变片获取所述应变测点所述安装方向的应变信号，对所述应变信号进行快速傅里叶变换，提取所述应变信号在转子叶片共振点处的应变振幅；

第五步骤中，根据所述位移测点的所述位移振幅真实值，以及所述应变测点所述安装方向的所述应变振幅，计算待测转子叶片在单模态共振状态下的位移-应变传递比，通过监测转子叶片在单模态共振状态下位移-应变传递比值，并与所述数据库中相同工况下叶片位移-应变传递比基准值进行比较，判断转子叶片是否发生裂纹损伤：若位移-应变传递比相较于基准值变化率绝对值超过0.2％，则认为叶片发生裂纹损伤；反之则认为未发生裂纹损伤。

所述方法的优选实施方式中，第一步骤中，首先利用三维几何软件建立转子叶片三维几何模型，导入有限元软件中建立转子叶片三维有限元模型。其次通过模态分析提取所述转子叶片有限元模型某阶位移模态振型以及应变模态振型，确定所述叶片有限元模型在该阶模态下的位移和应变分布情况。最后根据叶端定时传感器理论测量位置确定位移测点，叶端定时传感器理论测量范围包括叶片整个叶端，具体测量位置视实际安装情况而定；在叶片最大应变区附近选取应变测点。

所述方法的优选实施方式中，第二步骤中，在不同转速工况下对所述叶片有限元模型进行模态分析，提取不同转速下叶片单模态共振状态下的位移测点位移振型χ，提取不同转速下叶片单模态共振状态下的应变测点应变振型ε。获取不同转速下的位移测点位移振型χ和应变测点应变振型ε，计算各转速下叶片位移-应变传递比值

将所述比值作为正常无损伤叶片位移-应变传递比基准值，建立不同转速工况下基准值数据库。

所述方法的优选实施方式中，第三步骤中，首先确定叶端定时传感器数目，以利用周向傅里叶拟合算法得到叶片振动参数，周向傅里叶法拟合叶片振动参数要求转子叶片沿机匣周向安装的叶端定时传感器数目n_btt与振动模态数目n_m的关系为：n_btt≥2n_m+1，对于单模态而言，n_m＝1，即n_btt≥3。其次确定叶端定时传感器周向安装角度：构造单模态下叶端定时传感器机匣周向布局情况下的测量角度布局矩阵S_btt：

其中，测量角度布局矩阵S_btt大小为n_btt×(2n_m+1)，θ_j表示叶端定时传感器j在机匣布置的角度，j＝1，...n_btt，n_btt表示转子叶片沿机匣周向布置的叶端定时传感器总数目，EO_i表示关注的激励阶次，i＝1，...n_m；转速传感器所在机匣的位置作为参考基准0°，在机匣周向随机选择n_btt个角度，并排除机匣周向限制安装的角度位置，组成上述测量位置，并以此角度分布作为叶端定时传感器沿机匣周向安装的位置角度。

进一步，确定应变片安装位置及方向：在所述三维有限元模型靠近最大应变位置布置一个应变片。根据所述三维有限元模型应变模态振型确定所述应变片方向。

所述方法的优选实施方式中，第四步骤中，应变遥测系统或者滑环引电器获取应变测点的应变信号，所述应变信号包括应变时域信号。

所述方法的优选实施方式中，第四步骤中，利用n_btt个叶端定时传感器获得转子叶片叶端所测节点第N转内n_btt个时间点的叶端振动数据，得到叶端欠采样单模态振动信号u_btt(t)，进而利用周向傅里叶拟合算法得到单模态振动参数：

其中，

c表示叶片静变形，A_i表示振幅、f_i表示模态频率、

代表初始相位；上标

表示矩阵的广义逆；上标T表示矩阵的转置。

其次，需要修正位移振幅：叶端定时传感器采集叶片沿旋转方向的位移振幅，但由于振动态下测点的位置变动，测量值和真实位移有很大偏差。如图a，传感器测量的位移振幅为A_m，其平行于点m到点n的方向，但叶片上一点m的实际位移明显为A_r，因此，需要将测量的位移振幅修正为实际位移振幅。当叶片发生扭振时，可以假设叶片振动时叶尖绕某一节点扭转角为θ，而在此假设下，当叶片发生一阶共振时，常表现为弯曲振动，可认为扭转角θ为0，当扭转角θ极小时，可认为测量点的振动方向与叶片的弦线垂直，根据图7所示的几何关系，可以得出实际位移振幅A_r和测量位移振幅A_m之间的关系：A_r＝A_mcosθ_B，其中θ_B为叶片弦线与叶盘轴线夹角，即交错角。

所述方法的优选实施方式中，计算交错角：通过在弦向布局的两个叶端定时传感器，可以计算准确的交错角，以实现位移的修正。如图8，弦线l₁是叶片的初始位置，表示叶片未发生变形。l₂是叶片的新位置，表示变形后的叶片，l₃是与l₂平行的线，则由图中的几何关系，在柱坐标系下，叶片的交错角可以表示为：

其中：

b＝P_2z-P_1z。式中：

和

表示沿叶片弦向布置的两个传感器的周向坐标；P_1z和P_2z为两个传感器的轴向坐标；R表示传感器与叶盘轴线中心之间的距离；d₁和d₂表示两传感器测得位移振幅。当叶片发生弯曲振动时，叶片扭转角θ为0，此时有d₁＝d₂，因此，当叶片发生弯曲振动时，只需要沿叶片弦线布置一个传感器便可以计算出交错角。

计算实际位移：根据A_r＝A_mcosθ_B，可以得出叶端所述测点的修正后的实际位移振幅A_r。

进一步，获取应变振幅：工作条件下，在真实转子叶片上与仿真叶片相同位置布置应变片。利用应变遥测系统或者滑环引电器获取所述应变测点的真实时域信号。对所述应变时域信号进行快速傅里叶变换，获取应变振幅ε′。最后，计算工作条件下所述两测点位移-应变传递比：

所述方法的优选实施方式中，第五步骤中，监测叶片在单模态共振状态下位移-应变传递比值K′，并与所述数据库中基准值K进行比较。变化率绝对值超过

则认为叶片发生裂纹损伤；反之则未发生裂纹损伤。同时，变化率越大说明损伤程度越大。

下面结合附图1至附图6并用一个具体仿真实施例取代了实验实例对本发明作进一步描述，说明传递比关于裂纹长度、转速的关系。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而本发明的应用对象不局限下述示例。

图1是本发明完成的基于位移-应变传递比的叶片裂纹损伤识别方法的流程图，该方法通过建立叶片三维模型，有限元分析获得所述叶片三维模型单模态共振状态下位移及应变分布云图，确定位移及应变测点，并在不同转速工况下对叶片模型进行模态分析，提取所述测点的位移及应变振型，计算叶片共振状态下所述测点的位移-应变传递比，建立不同转速工况下位移-应变传递比数据库。进一步，确定叶端定时传感器数目与弦向安装位置和周向安装角度，确定应变片的安装位置与方向，并在不同转速下开展旋转实验，利用叶端定时传感器获取转子叶片叶端所述位移测点位移振幅，基于转子叶片的几何关系对所测振幅进行修正，利用无线应变遥测系统获取所述应变测点应变振幅。最后，计算工作条件下位移-应变传递比，通过监测叶片在单模态共振状态下位移-应变传递比值，并与所述数据库中基准值进行比较，判断叶片是否发生裂纹损伤。具体步骤如下：

1)建立单个叶片的三维几何模型。利用Solidworks软件建立单个叶片三维模型，其中叶片长100mm。

2)使用有限元分析软件Ansys对单个叶片进行模态分析。将模型导入Ansys软件中，对叶片模型进行网格划分并施加约束条件，对叶片进行模态仿真得到叶片的一阶位移模态振型图及一阶应变模态振型如图2(a)和图2(b)所示。

3)本发明主要针对叶片单模态共振，以叶片一阶共振为例：当叶片模型发生一阶共振时，其位移振型表现为一弯，同时根据图2(a)和图2(b)可知叶片模型的一阶位移云图和一阶应变云图，根据叶端定时传感器测量位置确定叶片叶端两个位移测点；在叶片应变最大区域附近布置一个应变片，具体做法是：利用shell单元在叶片相应区域建立一个薄片模型，方向沿叶片径向，用来模拟真实应变片，如图3。提取叶片模型一阶共振时的固有频率、shell薄片的单元应变模态振型以及所述位移测点的位移振型。在叶片发生一阶共振时，提取选取的两测点的位移模态振型和应变模态振型分别为：χ＝8.394，ε＝10.783，计算其位移-应变传递比

4)在不同转速工况下(ORPM、4000RPM、8000RPM、12000RPM)对叶片模型分别进行模态分析，计算叶片一阶共振状态下两测点位移-应变传递比值，将所述比值作为正常无损伤叶片位移-应变传递比基准值K，建立不同转速工况下K值数据库，如表1。

表1叶片不同转速下叶片位移-应变传递比基准值

5)通过减材的方式，在叶片模型最大应变区预制裂纹，如图4，裂纹宽度为0.1mm，裂纹距离叶片底面1mm，逐步改变裂纹长度，使裂纹长度依次为1mm、3mm、5mm、7mm，并对叶片在几种工作转速下(ORPM、4000RPM、8000RPM、12000RPM)进行模态分析，每次均提取叶片模型一阶共振状态下的固有频率(表2)以及shell薄片单元位移振型，并计算位移-应变传递比(表3)。

表2叶片一阶固有频率(Hz)随转速和裂纹变化情况

表3位移-应变传递比值随转速和裂纹变化情况

表4位移-应变传递比变化率随转速和裂纹变化情况

表5叶片一阶固有频率变化率随转速和裂纹(mm)变化情况

5)观察固有频率和位移-应变传递比变化情况，固有频率和位移-应变传递比随着裂纹长度和工作转速的变化情况如图5和图6所示，根据表2、3、4、5以及图5、6也可以看出，利用位移-应变传递比作为叶片裂纹损伤监测指标的一个优点是，位移-应变传递比相较于固有频率对转速不太敏感，即在不同转速下，利用位移-应变传递比作为叶片裂纹损伤监测指标稳定性更好，不受转速的干扰。

6)在分析的几种工作转速下，通过不断改变预制裂纹的长度，使用位移-应变传递比作为叶片模型裂纹损伤监测指标，预定阈值为0.2％。传递比值绝对值变化均大于0.2％，表明出现了叶片裂纹损伤，当裂纹长度达到7mm时，传递比值变化最大可达约9.0％；若使用固有频率作为叶片模型裂纹损伤监测指标，当裂纹长度达到7mm时，固有频率前后变化仅为0.9％。因此，本发明所涉及方法在对叶片模型裂纹损伤测量的效果更好，对叶片早期裂纹损伤的敏感度也优于传统上以固有频率作为损伤监测指标的方法。同时，实际实验中，可以使用叶端定时系统获取叶片位移信息；可以使用无线遥测技术或滑环引电器获取叶片应变信息。叶片固有频率对转速较为敏感，使用位移-应变传递比作为叶片模型裂纹损伤监测指标对叶片模型实际工作转速并不敏感，更加方便实际监测的需求。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种基于位移-应变传递比的转子叶片裂纹损伤识别方法，所述方法包括以下步骤：

第一步骤中，建立转子叶片的三维模型，有限元分析获得所述三维模型单模态共振状态下位移振型分布云图及应变振型分布云图，根据叶端定时传感器测量范围在所述三维模型的叶端确定位移测点，在转子叶片最大应变区域确定应变测点；

第二步骤中，在不同转速工况下对所述三维模型进行模态分析，提取所述位移测点的位移振型以及所述应变测点的应变振型，以计算单模态共振状态下所述位移测点及应变测点的位移-应变传递比，利用计算得到的所述位移-应变传递比建立不同转速工况下三维模型位移-应变传递比数据库，作为转子叶片在不同转速工况下未发生破坏时的位移-应变传递比基准值；

第三步骤中，基于叶片共振模态数目确定叶端定时传感器安装数目；确定叶端定时传感器弦向安装位置和周向安装角度；确定应变片的安装位置与安装方向；

第四步骤中，针对转子叶片，根据所述叶端定时传感器安装位置、安装角度以及安装数目安装叶端定时传感器，根据所述应变片安装位置与安装方向安装应变片，并在不同转速工况下开展旋转实验，当转子叶片发生单模态共振时，利用已安装的叶端定时传感器，获取转子叶片叶端所述位移测点的位移振幅测量值，基于转子叶片几何关系以及叶端定时传感器安装位置和角度，对所述位移振幅测量值进行修正，其中，基于叶端定时传感器弦向安装位置和周向安装角度计算转子叶片弦线与叶盘轴线的交错角，基于所述交错角计算所述位移测点的位移振幅真实值；利用已安装的应变片获取所述应变测点所述安装方向的应变信号，对所述应变信号进行快速傅里叶变换，提取所述应变信号在转子叶片共振点处的应变振幅；

第五步骤中，根据所述位移测点的所述位移振幅真实值，以及所述应变测点所述安装方向的所述应变振幅，计算待测转子叶片在单模态共振状态下的位移-应变传递比，通过监测转子叶片在单模态共振状态下位移-应变传递比值，并与所述数据库中相同工况下叶片位移-应变传递比基准值进行比较，判断转子叶片是否发生裂纹损伤：若位移-应变传递比相较于基准值变化率绝对值超过预定阈值，则认为叶片发生裂纹损伤。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，优选的，预定阈值为0.2％。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，第二步骤中，获取不同转速下的位移测点的位移振型χ和应变测点的应变振型ε，计算各转速下转子叶片位移-应变传递比值K，

将所述位移-应变传递比值作为正常无损伤转子叶片位移-应变传递比基准值，建立不同转速工况下所述三维模型基准值数据库。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，第三步骤中，确定叶端定时传感器数目，以利用周向傅里叶拟合算法得到叶片振动参数，周向傅里叶法拟合叶片振动参数要求转子叶片沿机匣周向安装的叶端定时传感器数目n_btt与振动模态数目n_m的关系为：n_btt≥2n_m+1。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，单模态中，n_m＝1，n_btt≥3。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，第三步骤中，确定叶端定时传感器周向安装角度中，构造单模态下叶端定时传感器机匣周向布局下的测量角度布局矩阵S_btt：

其中，测量角度布局矩阵S_btt大小为n_btt×(2n_m+1)，θ_j表示叶端定时传感器j在机匣布置的角度，j＝l，...n_btt，n_btt表示转子叶片沿机匣周向布置的叶端定时传感器总数目，EO_i表示关注的激励阶次，i＝1，...n_m；转速传感器所在机匣的位置作为参考基准0°，在机匣周向随机选择n_btt个角度，并排除机匣周向限制安装的角度位置形成测量位置，并以角度分布作为叶端定时传感器沿机匣周向安装的位置角度。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，第三步骤中，在所述叶片三维有限元模型靠近最大应变位置布置一个应变片，根据所述叶片三维有限元模型应变模态振型确定所述应变片方向。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，第四步骤中，应变遥测系统或者滑环引电器获取应变测点的应变信号，所述应变信号包括应变时域信号。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，第四步骤中，利用叶端定时传感器获取转子叶片叶端所述位移测点的位移振幅测量值中，利用n_btt个叶端定时传感器获得转子叶片叶端测点第N转内的n_btt个时间点叶端振动数据，得到叶端欠采样单模态振动信号u_btt(t)，周向傅里叶拟合算法得到单模态振动参数：

其中，

c表示叶片静变形，A_i表示振幅、f_i表示模态频率、

代表初始相位；上标

表示矩阵的广义逆；上标T表示矩阵的转置。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，第四步骤中，基于转子叶片几何关系对所述位移振幅测量值进行修正包括，

叶端定时传感器采集转子叶片沿旋转方向的位移振幅测量值A_m，当转子叶片发生扭振时，实际位移振幅A_r和位移振幅测量值A_m之间的关系：A_r＝A_mcosθ_B，其中θ_B为叶片弦线与叶盘轴线的交错角。

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