CN114722669A - 一种航空发动机中介机匣应变信息采集处理方法 - Google Patents

一种航空发动机中介机匣应变信息采集处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种航空发动机中介机匣应变信息采集处理方法，该方法综合区域梯度优化测点布置、三次样条插值与二次曲面拟合计算未测点应变参量，最后通过适应度函数评估进一步优化布置应变传感器采样位置，最终获得机匣待测区域面非采样点准确的应变信息。本发明为后续利用处理所得高精度应变数据完成中介机匣应变场重构、中介机匣应变智能可视化展示提供了关键的数据来源保障。

Description

一种航空发动机中介机匣应变信息采集处理方法
技术领域
本发明设计一种应变信息数据处理与应变传感器采样布点方法，具体涉及一种基于区域梯度优化的传感器布点迭代法、基于三次样条插值与二次曲面拟合的非测点应变参量计算方法，基于适应度函数的应变测点信息评估优化方法。
背景技术
飞机在服役过程中，恶劣的工作环境容易导致结构件损坏，轻则产生故障、任务失败，重则机毁人亡。发动机机匣作为航空发动机的重要部分，是整个发动机的基座，也是航空发动机的主要承力部件。发动机机匣在工作状态下，主要承受气体负荷和质量惯性力，其次还要承受热负荷，声负荷以及一些装配应力。机匣的状态反映了发动机的工作状态，通过对发动机机匣进行健康监测极大的提升了飞行安全。
然而，中介机匣尺寸大、结构复杂、壁薄，制造难度非同一般。无论是传统分解铸造加焊铆拼接，还是现代一次成形的制造方法，机匣生产过程依旧复杂，质量控制较难。同时，由于靠近燃烧室，中介机匣需在高温、高压下工作，发动机工作过程中，机匣轴向载荷在数吨左右，苛刻环境及性能要求决定机匣必须具备高强度等性能。
应变和变形信息是表征机械结构健康监测的重要物理参量。目前，应变测量主要有应变片测量法、声测法、光纤测量法。电阻应变片测量法是最传统的测量应变的方法，应用非常广泛。应变片测量法具有精度高、尺寸小等优点，但是无法组成分布式监测网络，还易受噪声干扰。声测法是根据声波公式中应力应变与声速的关系，通过声速的方法来计算出结构的应力应变。光纤测量法是通过应变与光纤中心波长偏移量的关系来计算结构的应变。光纤测量法具有精度高、抗电磁干扰、易于组成分布式监测网络等优点，已被广泛应用于应变监测领域。
而目前的测量法只能监测应力某测点的应变，无法准确获取待测区域非传感器采集点的应变值，不能满足对机匣待测区域应变参量的监测需求。需开发出高效的中介机匣的应变信息采样以及处理方法，为机匣结构的安全评估提供重要依据。
发明内容
本发明的目的在于针对航空发动机中介机匣应变与变形监测需求，提供了一种航空发动机机匣应变信息采样与处理方法，该方法首先通过三次样条插值与二次曲面拟合计算非采集点应变数据，计算出实现机匣待测区域面应变信息。再引入区域梯度法迭代优化应变传感器初始布局。建立机匣三维模型后对其进行有限元仿真，最后使用插值计算数据与仿真数据进行适应度函数评估。多次迭代后实现应变中介机匣应变传感器最优布局。
本发明采用以下技术方案来实现的：
一种航空发动机中介机匣应变信息采集处理方法，包含以下步骤：
步骤1：对机匣待测区域进行应变数据采样并进行增广处理，计算得出待测区域其他未布置测点的应变值；
步骤2：根据待测区域内增广计算应变值变化大小进行区域梯度分类的迭代优化，达到规定阈值后迭代停止得出第一次应变传感器优化布置位置；
步骤3：建立机匣三维模型并利用有限元软件分析选定工况下中介机匣待测区域仿真应变值；
步骤4：利用步骤1中计算应变数据与步骤3中仿真应变数据，构造适应度函数多次迭代优化步骤2中布点，最终得到最佳传感器布点位置。
本发明进一步的改进在于，步骤1中，根据应变监测需求并考虑机匣本身结构力学特性与环境温度后，在航空发动机中介机匣选择最优传感器布置区域，并将应变传感器均匀布置在待测区域内。
本发明进一步的改进在于，步骤1中，在航空发动机选定工况下多次测量中介机匣待测区域布点的应变参数值并取平均值，作为该工况下中介机匣待测区域原始应变数据。
本发明进一步的改进在于，步骤1中，将应变区域展开为平面，通过方位坐标x,y,应变量l建立应变(x,y,l)三维坐标系，对处于同一平面的应变测点进行三次样条插值计算，得出多条插值曲面函数gi(x)，在两测点之间取4-10个插值点，对增广后应变数据通过二次曲面拟合法计算应变曲面方程ξ，实现数据有效增广，计算出其他任意未布测点的应变值。
本发明进一步的改进在于，步骤2中，根据待测区域应变梯度大小将机匣分梯度划分为不同区间，在高应变梯度变化区间增加应变传感器布置密度，在应变变化平缓区间降低应变传感器布置密度。
本发明进一步的改进在于，步骤2中，基于区域梯度优化法更新采样布点后，再进行步骤1中的应变数据测量与增广，据应变计算结果进一步调整应变梯度分度值大小、同梯度内应变传感器分布密度，经过多次迭代最终在应变拟合曲面变化量及传感器位置变动量低于规定阈值后停止。
本发明进一步的改进在于，步骤3中，通过高精度三坐标量仪对航空发动机中介机匣进行扫描并获取机匣三维结构数据，并对数据进行预处理、网格修补和网格优化等操作，最终重构出机匣三维模型。
本发明进一步的改进在于，步骤3中，分析该工况下机匣力学条件，环境变化以及受力特点，对机匣三维模型进行有限元仿真，得出机匣待测区域的应变仿真值。
本发明进一步的改进在于，步骤4中，将测点布置中各区域插值计算应变平均值bi与有限元仿真应变平均值ai在二维方向上相似程度建立适应度函数Ji，通过Ji计算机匣不同点位应变计算数据相似程度，判定未布置测点计算结果与实际有限元仿真值的偏差大小。
本发明进一步的改进在于，步骤4中，对仿真计算与插值计算插值较大处周围传感器布置点位进行修正，修正后重复步骤1、4，多次迭代后Ji小于规定阈值后迭代停止，得出最优传感器布点位置。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明是一种航空发动机中介机匣应变传感数据处理与应变传感器布点优化的发明，通过使用本发明的布点方法。可以使得在同精度水平传感器采集应变参量情况下，实现了中介机匣整体应变的高精度测量，更能满足针对中介机匣应变敏感信息的研究。更真实的反映了航空发动机运行时的工作状态与工作环境，为发动机机匣进行健康检测提供了必要的数据支撑。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为三次样条插值流程与二次拟合曲面流程；
图3为插值示意图；
图4为非插值曲面与插值曲面平滑度对比图，图4(a)为直接拟合，图4(b)为插值后拟合；
图5为区域梯度法优化示意图；
图6中(a)和(b)为机匣简化三维结构建模；
图7为适应度函数评价流程；
图8中(a)和(b)为迭代后适应度函数值降低示意图。
图9为某型号发动机中介机匣三维模型示意图。
图10为某型号发动机机匣布点图。
图11为机匣外表面展开应变梯度变化图。
图12为迭代后机匣外表面展开应变梯度变化等高线图。
图13为迭代后机匣外表面展开应变梯度变化图以及传感器布置点位图。
图14为有限元仿真机匣外表面展开应变梯度变化图以及梯度等高线图。
图15为迭代前有限元仿真机匣外表面展开适应读函数值等高线图以及应变传感器点位布置图。
图16为迭代后最终有限元仿真机匣外表面展开适应读函数值等高线图以及应变传感器点位布置图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开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公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明提供的一种航空发动机机匣应变信息采样与处理方法，包括步骤：第一步、根据应变监测需求并考虑机匣本身结构力学特性与环境温度后，在航空发动机中介机匣选择最优传感器布置区域，并将应变传感器均匀布置在待测区域内。
第二步、在航空发动机选定工况下多次测量中介机匣待测区域布点的应变参数值并取平均，作为该工况下中介机匣待测区域原始应变数据。
第三步、对处于同一平面的布点通过三次样条插值计算插值，再利用二次曲面拟合法拟合中介机匣应变曲面，通过计算所得插值曲线曲面函数计算出其他未布测点的应变值。
第四步、根据拟合后机匣待测区域应变梯度大小把机匣划分为不同梯度区域，分别布置不同密度传感器。
第五步、更新布置应变传感器，再对航空发动机中介机匣进行同工况下应变数据测量，重复插值计算步骤，根据测量结果进一步修改梯度分度值大小、相同梯度内应变传感器分布密度等参数，经过多次迭代最终在应变拟合曲面变化量及传感器位置变动量低于某一阈值后停止。
第六步、用三维仿真模型对该工况下机匣应变进行有限元仿真。通过机匣待测区域的有限元应变仿真测试得出该工况下机匣待测区域的应变数据。
第七步、将测点布置中各节点实际计算位移分量与有限元位移分量在二维方向的相似程度建立适应度函数。对未布置测点的估计值与实际有限元仿真值的偏差进行判定，修正偏差较大位置处附近传感器点位。然后重复其他未布点应变量计算，并重复适应度函数检测，最终经过多次迭代得出最优传感器布点位置。
具体来说，本发明采用如下步骤来实现的：
步骤一：传感器初始化布置
基于实际监测需求，并结合机匣本身结构、材料特性、力学特性、运行温度等，选择最优应变传感器采集区域。根据传感器数量、种类合理选择传感器采样密度并将其均匀布置在待测面上。保证初始应变值测量精度。尽可能满足后续计算需求、减少迭代次数。
步骤二：常用工况下应变测量
选定待测工况，多次测量中介机匣待测区域布点的应变参数，剔除粗大误差后取其均值，作为该工况下中介机匣待测区域应变原始数据。
步骤三：应变数据处理
将应变区域展开为平面，使用布点横坐标x,纵坐标y,布点应变量l建立位置-应变(x,y,l)三维坐标系，对处于同一平面的应变测点进行三次样条插值计算，遍历计算后得出多条插值曲面函数gi(x)，每个测点之间可取4-10个插值点作为应变数据增广，对增广后应变数据通过二次曲面拟合计算出应变曲面方程ξ，最终实现数据有效增广，可计算出任意未布测点区域的应变值。如图2图3所示。
步骤四：梯度优化传感器分布
根据待测区域应变梯度大小将机匣分梯度划分为不同区间。在高应变梯度变化区间增加传感器布置密度，在应变变化平缓区间降低传感器布置密度。如图5所示。
步骤五：传感器布局初步迭代
更新机匣应变传感器布置后，再对航空发动机中介机匣进行同工况下应变数据测量，重复步骤二至步骤四，根据测量结果进一步修改梯度分度值大小、相同梯度内应变传感器分布密度等参数，多次迭代后最终在应变拟合曲面变化量及传感器位置变动量低于规定阈值后停止。如图5所示。
步骤六：机匣待测区域三维建模与有限元仿真
通过高精度传感器对航空发动机中介机匣进行扫描，获取机匣结构数据并对其进行数据预处理、网格修补、网格优化等操作。重构出中介机匣三维仿真模型。分析该工况下机匣力学条件，环境变化以及受力特点，对机匣进行有限元仿真，并得出该工况下机匣待测区域应变仿真数据。
步骤七：适应度函数优化
根据有限元仿真结果把机匣划分为不同的应变区域，该区域内应变大小相近，将该区域内测点插值应变计算平均值bi与有限元仿真应变平均值ai在二维方向的相似程度建立适应度函数J。规定阈值H，通过bi、ai、Δb、Δa、Δh计算出Ji并于H进行比较，判定区域内未布置测点计算值与实际有限元仿真值的偏差大小，得出现有拟合曲面插值是否满足使用需求，并对应变差值区域内传感器进行布点修正。如图7所示。
步骤八：迭代修正：
在适应度函数计算后差值较大区域调整传感器布点位置后，重复步骤三中其他未布点应变量计算，并重复步骤七中适应度函数检测，在多次迭代后Ji小于规定阈值后迭代停止，如图8所示。此时得出最优传感器布点位置。
实施例：
如图9所示，对某某型号航空发动机中介机匣进行分析，如下：
第一步，在某型号中介机匣外表面进行应变传感器均匀布置，选定工况后对其外表面进行应变测量，得到传感器点位应变数据，如图10所示。
第二步，对中介机匣外面表面展开处理，添加三维坐标系并确定每个应变点的三维坐标(x位置，y位置，l应变量)，并且对其进行应变数据增广处理，再经过二次曲面拟合最终得到该区域机匣表面应变数据集，根据应变数据集计算应变变化梯度，并绘制图11所示曲面。
第三步，根据应变变化梯度曲面图，将机匣表面划分为n个不同大小的梯度区域，ni代表该区域梯度等级(从高到低：n～1)每个区域面积为si，总面积为s，a为正则化超参数，分别布置原有数量x个应变传感器，不同区域应变传感器布置数量如下计算：
Figure BDA0003580383520000091
再对该机匣进行同工况下应变数据测量，重复插值计算步骤，根据测量结果进一步修改梯度分度值大小、相同梯度内应变传感器分布密度等参数，经过多次迭代最终在应变拟合曲面变化量及传感器位置变动量低于某一阈值后停止。最终结果如图12和图13所示：
第四步，使用中介机匣三维模型进行选定工况下有限元仿真，得出该工况下机匣外表面应变值，并展开外表面计算应变梯度变化，得出应变梯度变化图，如图14所示：
第五步：根据有限元仿真结果把机匣划分为不同的应变区域，该区域内应变大小相近，将该区域内测点插值应变计算平均值bi与有限元仿真应变平均值ai在二维方向的相似程度建立适应度函数:
Figure BDA0003580383520000092
规定阈值H，通过bi、ai、Δb、Δa、Δh计算出Ji并于H进行比较，判定区域内未布置测点计算值与实际有限元仿真值的偏差大小，得出现有拟合曲面插值是否满足使用需求，并对应变差值区域内传感器进行布点修正。在适应度函数计算后差值较大区域调整传感器布点位置后，重复其他未布点应变量计算以及适应度函数检测，在多次迭代后Ji小于规定阈值后迭代停止，得出最优布点，如图15和图16所示：
根据两种方法迭代后得出最终应变传感器最终点位，尽可能避免了关键点位采集数据不够，非关键点位采集信息冗余的情况，实现了中介机匣应变信息精准测量与计算。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种航空发动机中介机匣应变信息采集处理方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1：对机匣待测区域进行应变数据采样并进行增广处理，计算得出待测区域其他未布置测点的应变值；
步骤2：根据待测区域内增广计算应变值变化大小进行区域梯度分类的迭代优化，达到规定阈值后迭代停止得出第一次应变传感器优化布置位置；
步骤3：建立机匣三维模型并利用有限元软件分析选定工况下中介机匣待测区域仿真应变值；
步骤4：利用步骤1中计算应变数据与步骤3中仿真应变数据，构造适应度函数多次迭代优化步骤2中布点，最终得到最佳传感器布点位置。
2.根据权利要求1所述的一种航空发动机中介机匣应变信息采集处理方法，其特征在于，步骤1中，根据应变监测需求并考虑机匣本身结构力学特性与环境温度后，在航空发动机中介机匣选择最优传感器布置区域，并将应变传感器均匀布置在待测区域内。
3.根据权利要求1所述的一种航空发动机中介机匣应变信息采集处理方法，其特征在于，步骤1中，在航空发动机选定工况下多次测量中介机匣待测区域布点的应变参数值并取平均值，作为该工况下中介机匣待测区域原始应变数据。
4.根据权利要求1所述的一种航空发动机中介机匣应变信息采集处理方法，其特征在于，步骤1中，将应变区域展开为平面，通过方位坐标x,y,应变量l建立应变(x,y,l)三维坐标系，对处于同一平面的应变测点进行三次样条插值计算，得出多条插值曲面函数gi(x)，在两测点之间取4-10个插值点，对增广后应变数据通过二次曲面拟合法计算应变曲面方程ξ，实现数据有效增广，计算出其他任意未布测点的应变值。
5.根据权利要求1所述的一种航空发动机中介机匣应变信息采集处理方法，其特征在于，步骤2中，根据待测区域应变梯度大小将机匣分梯度划分为不同区间，在高应变梯度变化区间增加应变传感器布置密度，在应变变化平缓区间降低应变传感器布置密度。
6.根据权利要求5所述的一种航空发动机中介机匣应变信息采集处理方法，其特征在于，步骤2中，基于区域梯度优化法更新采样布点后，再进行步骤1中的应变数据测量与增广，据应变计算结果进一步调整应变梯度分度值大小、同梯度内应变传感器分布密度，经过多次迭代最终在应变拟合曲面变化量及传感器位置变动量低于规定阈值后停止。
7.根据权利要求1所述的一种航空发动机中介机匣应变信息采集处理方法，其特征在于，步骤3中，通过高精度三坐标量仪对航空发动机中介机匣进行扫描并获取机匣三维结构数据，并对数据进行预处理、网格修补和网格优化等操作，最终重构出机匣三维模型。
8.根据权利要求1所述的一种航空发动机中介机匣应变信息采集处理方法，其特征在于，步骤3中，分析该工况下机匣力学条件，环境变化以及受力特点，对机匣三维模型进行有限元仿真，得出机匣待测区域的应变仿真值。
9.根据权利要求1所述的一种航空发动机中介机匣应变信息采集处理方法，其特征在于，步骤4中，将测点布置中各区域插值计算应变平均值bi与有限元仿真应变平均值ai在二维方向上相似程度建立适应度函数Ji，通过Ji计算机匣不同点位应变计算数据相似程度，判定未布置测点计算结果与实际有限元仿真值的偏差大小。
10.根据权利要求9所述的一种航空发动机中介机匣应变信息采集处理方法，其特征在于，步骤4中，对仿真计算与插值计算插值较大处周围传感器布置点位进行修正，修正后重复步骤1、4，多次迭代后Ji小于规定阈值后迭代停止，得出最优传感器布点位置。
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