發(fā)布時(shí)間：2020-10-22 14:36

　　 旋轉(zhuǎn)葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵動(dòng)部件,由于在極端服役環(huán)境下運(yùn)行且經(jīng)常變換工況,易產(chǎn)生振動(dòng)進(jìn)而誘發(fā)故障。因此監(jiān)測(cè)葉片的異常振動(dòng),及時(shí)發(fā)現(xiàn)葉片損傷對(duì)保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行安全具有重要意義。目前,利用葉端定時(shí)(Blade Tip-Timing,BTT)方法對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片進(jìn)行在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)前沿技術(shù),但BTT技術(shù)由于傳感器安裝受發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行要求的制約,其測(cè)量的振動(dòng)信號(hào)屬于欠采樣信號(hào),而葉片由于裂紋的非線性導(dǎo)致其葉端出現(xiàn)多頻振動(dòng)響應(yīng),因此利用欠采樣的BTT信號(hào)獲取未知多頻葉片振動(dòng)是突破旋轉(zhuǎn)葉片裂紋BTT檢測(cè)的關(guān)鍵難題。本文通過建立含裂紋葉片動(dòng)力學(xué)模型,分析裂紋對(duì)葉片振動(dòng)特性影響,結(jié)合BTT方法提取裂紋敏感振動(dòng)特征,提出采用壓縮感知理論解決BTT欠采樣多頻葉片振動(dòng)盲重構(gòu)難題,實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)葉片的BTT非接觸在線振動(dòng)測(cè)量與裂紋檢測(cè)研究。論文主要工作包括:(1)研究裂紋機(jī)理,建立含呼吸裂紋單葉片動(dòng)力學(xué)模型,分析裂紋對(duì)葉片振動(dòng)特性的影響,提取裂紋葉片非線性振動(dòng)響應(yīng)超諧特征,為實(shí)現(xiàn)BTT欠采樣多頻振動(dòng)重構(gòu)及裂紋檢測(cè)提供理論依據(jù)。同時(shí)針對(duì)葉端振動(dòng)位移分析對(duì)微小裂紋的不敏感問題,提出采用振動(dòng)能量流分析方法,能增強(qiáng)微小裂紋引發(fā)的葉片振動(dòng)響應(yīng)諧波現(xiàn)象,并通過含裂紋葉片振動(dòng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,為微小裂紋檢測(cè)提供理論指導(dǎo)。(2)針對(duì)含拉筋耦合的葉盤,考慮失諧因素建立含裂紋的多葉片耦合離散動(dòng)力學(xué)模型,研究葉片失諧及耦合強(qiáng)度對(duì)葉片振動(dòng)特性影響,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析裂紋對(duì)失諧耦合葉片振動(dòng)特性的影響,提取共振頻率與振動(dòng)幅值及其變化因子作為裂紋特征,為旋轉(zhuǎn)葉片裂紋BTT檢測(cè)奠定模型基礎(chǔ)。(3)針對(duì)BTT測(cè)量葉片振動(dòng)數(shù)據(jù)的欠采樣特性,建立BTT測(cè)量的壓縮感知模型,通過對(duì)該模型求解約束來確定實(shí)際測(cè)量過程中BTT傳感器數(shù)目,并采用條件數(shù)理論對(duì)傳感器布局進(jìn)行優(yōu)化分析,最后研究了不同稀疏重構(gòu)算法對(duì)多頻葉片振動(dòng)重構(gòu)性能的影響,解決了BTT欠采樣多頻葉片振動(dòng)盲重構(gòu)難題。(4)對(duì)含裂紋失諧葉片理論模型葉端振動(dòng)進(jìn)行等效BTT采樣,對(duì)欠采樣數(shù)據(jù)采用壓縮感知理論進(jìn)行重構(gòu),提取裂紋葉片二倍頻響應(yīng)、共振頻率及振動(dòng)幅值變化的裂紋特征實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)葉片裂紋BTT檢測(cè)的仿真研究。然后通過氣動(dòng)激勵(lì)及磁鐵激勵(lì)的旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)BTT在線測(cè)振實(shí)驗(yàn)平臺(tái),驗(yàn)證了壓縮感知理論能解決BTT欠采樣多頻葉片振動(dòng)盲重構(gòu)難題。最后采用預(yù)制裂紋的方法,結(jié)合壓縮感知理論及理論建模提取的裂紋特征實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)葉片裂紋的BTT非接觸在線檢測(cè)。
【學(xué)位單位】：國防科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V231.95
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 論文選題來源與研究背景
        1.1.1 選題來源
        1.1.2 研究背景與意義
    1.2 含裂紋旋轉(zhuǎn)葉片動(dòng)力學(xué)建模與分析研究現(xiàn)狀
        1.2.1 裂紋模型研究現(xiàn)狀
        1.2.2 含裂紋單葉片動(dòng)力學(xué)建模與分析研究現(xiàn)狀
        1.2.3 含裂紋耦合多葉片動(dòng)力學(xué)建模與分析研究現(xiàn)狀
    1.3 旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)在線測(cè)量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
        1.3.1 接觸式測(cè)量方法
        1.3.2 非接觸式測(cè)量方法
        1.3.3 葉端定時(shí)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
    1.4 基于壓縮感知的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷研究現(xiàn)狀
    1.5 論文研究思路及章節(jié)安排
        1.5.1 論文研究思路
        1.5.2 論文章節(jié)安排
第二章 含呼吸裂紋單葉片的非線性多頻振動(dòng)特性分析
    2.1 線彈性斷裂力學(xué)基本理論
        2.1.1 裂紋基本類型
        2.1.2 裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)
        2.1.3 應(yīng)力強(qiáng)度因子
        2.1.4 能量釋放率
    2.2 含裂紋懸臂梁葉片的局部柔度分析
    2.3 含呼吸裂紋單葉片的非線性動(dòng)力學(xué)建模
    2.4 含呼吸裂紋單葉片的振動(dòng)能量流建模
    2.5 含呼吸裂紋葉片振動(dòng)特性數(shù)值分析
        2.5.1 含呼吸裂紋旋轉(zhuǎn)葉片的等效剛度分析
        2.5.2 含呼吸裂紋葉片的振動(dòng)特性與能量流特性分析
        2.5.3 呼吸裂紋對(duì)葉片瞬態(tài)耗散能量和瞬態(tài)輸入能量的分岔分析
        2.5.4 呼吸裂紋對(duì)葉片振動(dòng)響應(yīng)的超諧/亞諧振動(dòng)幅值影響分析
    2.6 含裂紋葉片振動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
        2.6.1 含裂紋葉片振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)康呐c原理
        2.6.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    2.7 本章小結(jié)
第三章 含裂紋失諧葉片振動(dòng)特性分析及葉端定時(shí)檢測(cè)特征提取
    3.1 含拉筋葉盤系統(tǒng)的模型簡化
    3.2 多葉片耦合系統(tǒng)的模態(tài)分析
        3.2.1 協(xié)調(diào)葉片的模態(tài)分析
        3.2.2 失諧葉片的模態(tài)分析
        3.2.3 含呼吸裂紋失諧葉片的模態(tài)分析
    3.3 含呼吸裂紋失諧葉片的受迫振動(dòng)建模與分析
    3.4 裂紋對(duì)失諧葉片振動(dòng)特性影響的數(shù)值分析
        3.4.1 失諧強(qiáng)度對(duì)失諧葉片模態(tài)的影響
        3.4.2 耦合強(qiáng)度對(duì)失諧葉片模態(tài)的影響
        3.4.3 裂紋對(duì)失諧葉片固有頻率的影響分析
        3.4.4 裂紋對(duì)失諧葉片受迫振動(dòng)幅值的影響分析
        3.4.5 裂紋對(duì)失諧葉片振動(dòng)響應(yīng)局部化特性的影響分析
        3.4.6 裂紋對(duì)失諧葉片振動(dòng)分岔行為的影響分析
    3.5 失諧葉片裂紋葉端定時(shí)檢測(cè)的振動(dòng)特征提取
    3.6 本章小結(jié)
第四章 基于壓縮感知的旋轉(zhuǎn)葉片葉端定時(shí)振動(dòng)測(cè)量與裂紋檢測(cè)研究
    4.1 旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)的葉端定時(shí)測(cè)量基本原理
    4.2 葉端定時(shí)欠采樣的壓縮感知模型構(gòu)建
        4.2.1 葉端定時(shí)測(cè)量等效采樣模型
        4.2.2 壓縮感知基礎(chǔ)理論
        4.2.3 壓縮感知模型構(gòu)建
    4.3 稀疏重構(gòu)約束下的葉端定時(shí)傳感器數(shù)目確定
    4.4 葉端定時(shí)傳感器布局優(yōu)化分析
    4.5 葉端定時(shí)欠采樣的稀疏重構(gòu)算法研究
        4.5.1 稀疏重構(gòu)算法的分類與簡介
        4.5.2 正交匹配追蹤算法
        4.5.3 基追蹤降噪算法
        4.5.4 多重信號(hào)分類算法
        4.5.5 正則化FOCUSS算法
    4.6 基于壓縮感知的葉端定時(shí)欠采樣多頻葉片振動(dòng)盲重構(gòu)數(shù)值分析
        4.6.1 數(shù)值分析參數(shù)設(shè)置
        4.6.2 葉端定時(shí)傳感器數(shù)目確定及其布局優(yōu)化分析
        4.6.3 基于壓縮感知的葉端定時(shí)欠采樣多頻葉片振動(dòng)信號(hào)盲重構(gòu)驗(yàn)證..
        4.6.4 葉端定時(shí)傳感器數(shù)目對(duì)重構(gòu)性能的影響
        4.6.5 葉端定時(shí)測(cè)量不確定性對(duì)重構(gòu)性能的影響
        4.6.6 葉端定時(shí)傳感器位置對(duì)重構(gòu)性能的影響
        4.6.7 稀疏重構(gòu)算法對(duì)葉片振動(dòng)重構(gòu)性能的影響
    4.7 基于葉端定時(shí)的旋轉(zhuǎn)葉片裂紋檢測(cè)仿真驗(yàn)證
    4.8 本章小結(jié)
第五章 旋轉(zhuǎn)葉片葉端定時(shí)測(cè)振與裂紋檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究
    5.1 高速旋轉(zhuǎn)葉片葉端定時(shí)在線測(cè)振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建
        5.1.1 高速旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)
        5.1.2 葉端定時(shí)測(cè)量系統(tǒng)
    5.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理
        5.2.1 旋轉(zhuǎn)葉片實(shí)際到達(dá)時(shí)間獲取
        5.2.2 干擾數(shù)據(jù)的剔除
        5.2.3 旋轉(zhuǎn)葉片葉端振動(dòng)位移獲取
    5.3 基于壓縮感知的葉端定時(shí)欠采樣葉片振動(dòng)盲重構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究
        5.3.1 高速旋轉(zhuǎn)葉片葉端定時(shí)測(cè)振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)葉片的有限元分析
        5.3.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的葉端定時(shí)非接觸在線測(cè)振實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
        5.3.3 旋轉(zhuǎn)直葉片振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)簡介與直葉片模態(tài)分析
        5.3.4 葉端定時(shí)欠采樣葉片振動(dòng)盲重構(gòu)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    5.4 旋轉(zhuǎn)葉片裂紋的葉端定時(shí)非接觸在線檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究
    5.5 本章小結(jié)
第六章 總結(jié)與展望
    6.1 全文總結(jié)
    6.2 工作展望
致謝
參考文獻(xiàn)
作者在學(xué)期間取得的學(xué)術(shù)成果

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