基于数字孪生的叶片动应变反演
如航空发动机、汽轮机、燃气轮机等透平机械广泛存在于我们的工业生产中，这些设备大多造价昂贵而且技术难点众多，一旦发生故障将造成重大损失。叶片是透平机械中能量转换的关键部件，其运行工况复杂，极易在离心载荷、气动载荷、热载荷等多种载荷的作用下而振动，进而出现疲劳、裂纹等失效。出于叶片在设备中的重要作用以及本身复杂的特性，实时获取叶片的动应变、应力水平以评估其健康状况，最终在发生故障之前做出预警和调整对这些透平设备的安全运行至关重要。在叶尖定时叶尖振幅测量的基础上，结合叶尖模态位移与特征点模态应变的关系，即可实时反演叶片动应变。数字孪生是数字信息化技术的进一步发展和应用，是跨多个学科(包括数学、物理、计算机、机械、传感器等)的一门技术，旨在通过创建物理世界的数字孪生体来对物理世界的发展做出预判和指导。本文基于数字孪生的概念针对叶片动应变非接触测量做了一些研究工作，具体内容如下: 1.基于模态分析理论和有限元数值计算方法开发了叶片模态计算程序B-SOLVE来仿真计算频率、模态位移与模态应变，用B-SOLVE和商业软件ANSYS在同一有限元模型上进行了计算验证，结果显示频率和模态位移的最大相对误差分别为0.06％和1.17％，所以开发的模态计算程序是可靠的。考虑到有限元计算规模大的问题，本文将稀疏矩阵存储技术引入到有限元计算中，通过优化内存占用和访问让计算程序更具实用性。刚度矩阵生成实验表明稀疏存储元素个数会比一般存储少3个量级以上，而且随着规模增大优越性会更加明显，所以在有限元程序开发时使用稀疏矩阵是必不可少的。 2.对某型航空发动机叶片进行了共振测试实验，获取了叶片在共振时的频率、位移、应变等数据，并计算了实验的应变-位移系数。使用开发的程序B-SOLVE计算了叶片的模态位移与模态应变，并计算了与实验同位置的应变-位移系数，将实验与仿真计算的应变-位移系数进行对比和误差分析，结果显示各测点误差均在5％以内，标定结果精度较高，验证了基于模态计算的叶片动应变反演的可行性与有效性。 3.对基于数字孪生的叶片动应变反演进行了研究。首先对基础失谐模型方法(Fundamental Mistuning Model，FMM)在叶片动应变反演中的应用进行了理论推导，然后通过数值模拟计算准确预测了失谐叶盘的频率、位移、应变等模态特性(频率最大误差为0.15％)。同时探讨了失谐特性对叶片动应变反演的影响，结果表明叶片的应变位移系数变化超过10％，所以在线监测时不断更新叶片模态特性将提高动应变反演精度，但叶尖变形对轴向位置的敏感性几乎不变进而并不影响传感器的布置。
航空发动机;叶尖定时;动应变测量;模态分析;有限元法;叶盘失谐
北京化工大学
硕士
动力工程及工程热物理
张娅
2021
中文
V232.4
2021-09-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）