(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210628624.2 (22)申请日 2022.06.02 (71)申请人 西安交通大 学 地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号 申请人 中国航发四川燃气涡轮 研究院 (72)发明人 乔百杰　赵峻林　罗现强　王亚南　 朱昱达　陈雪峰　 (74)专利代理 机构 北京中济纬天专利代理有限 公司 11429 专利代理师 覃婧婵 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G01L 5/00(2006.01) G01M 7/02(2006.01)G01M 15/14(2006.01) G06F 119/04(2020.01) (54)发明名称 基于非接触测量的叶片多模态最大应力预 测方法及系统 (57)摘要 公开了基于非接触测量的叶片多模态最大 应力预测方法及系统， 方法中， 对待预测叶片进 行不同转速有 限元模态分析并绘制坎贝尔图寻 找多模态共振转速； 确定该叶片在多模态共振状 态下的模态频率， 计算多模态共振周期并提取各 阶模态位移振 型和模态应力振型； 获得测点处的 多模态共振位移响应并进行快速傅里叶变换， 解 耦获得各阶模态振动参数； 计算各阶模态下从位 移测点到某 一阶单模态最大应力点的位移 ‑应力 转换系数； 叠加获得叶片 有限元模 型各节点在一 个多模态共振周期内的动应力变化函数； 选取特 定时间步长划分多模态共振周期， 统计叶片各时 刻最大动应力数值及其出现位置， 预测叶片多模 态共振最大应力的变化 规律。 权利要求书3页 说明书9页 附图7页 CN 115114721 A 2022.09.27 CN 115114721 A 1.一种基于非接触测量的叶片多模态最大应力预测方法， 其特征在于， 其包括以下步 骤： 第一步骤(S1)中， 对待预测叶片进行不同转速有限元模态分析并绘制坎贝尔图寻找多 模态共振转速； 第二步骤(S2)中， 对所述叶片在多模态共振转速下重新进行有限元模态分析， 获得该 叶片参与多模态共振的各阶模态 频率， 计算多模态共振周期并提取各阶模态位移振型和模 态应力振型； 第三步骤(S3)中， 对所述叶片在多模态共振下开展非接触位移测振试验， 获得位移测 点处多模态共 振位移响应并进行 快速傅里叶变换， 解耦获得 各阶模态振动参数； 第四步骤(S4)中， 根据所述各阶模态位移振型和模态应力振型， 计算各阶模态下从位 移测点到某一阶单模态最大应力点的位移 ‑应力转换系数； 第五步骤(S5)中， 基于上述获得的各阶模态振动参数和位移 ‑应力转换系数， 叠加获得 叶片有限元模型 各节点在一个多模态共 振周期内的动应力变化 函数； 第六步骤(S6)中， 根据 所述参与多模态共振各阶模态频率中的最高阶模态频率设置时 间步长， 划分多模态共振周期， 根据所述动应力变化函数计算叶片有限元模型各节点在各 时刻的动应力数值， 并记录各时刻最大动应力数值及其出现位置， 预测 转子叶片多模态共 振最大应力的变化 规律。 2.根据权利要求1所述的一种基于非接触测量的叶片多模态最大应力预测方法， 其特 征在于， 优选的， 第一步骤(S1)中， 根据待测叶片的实际尺寸及材料参数， 使用三维建模软 件及有限元分析建立叶片三维有限元模型； 根据叶片实际工作转速区间， 从小到大均匀设 置一组转速值， 并分别在每个转速下对所述叶片三维有限元模型进行模态分析， 获得不同 转速下的叶片前m 阶模态频率f1， f2， ...fm； 根据所述模态频率， 绘制叶片坎贝尔图， 并在坎 贝尔图上转速倍频线与固有频率线的交点中寻找横坐标相同的两个及以上的交点， 交点的 横坐标数值即为叶片多模态共振转速nr； 所述共振交点各自对应的模态阶次MO为参与多模 态共振的模态阶次， 各 自对应的激励阶次EO之比为有理数λ， 即EOj/EOi＝λ， EOi为参与多模 态共振的第i阶模态对应的激励阶次， EOj为参与多模态共 振的第j阶模态对应的激励阶次。 3.根据权利要求2所述的一种基于非接触测量的叶片多模态最大应力预测方法， 其特 征在于， 第二步骤(S2)中， 对所述叶片三维有限元模型在第一步骤(S1)中获得的多模态共 振转速nr下进行模态分析， 获得参与多模态共振的叶片各阶模态频率fi， fj，…； 根据获得的 模态频率结果计算多模态共振周期 即所述各阶模态频率倒数 …的最小公倍数。 4.根据权利要求3所述的一种基于非接触测量的叶片多模态最大应力预测方法， 其特 征在于， 第二步骤(S2)中， 提取所述共振转速nr下， 参与多模态共振的模态阶次对应的模态 位移振型φi， φj，…和模态应力振型 …， φ是大小为3N ×1的向量， 是大小为6N ×权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115114721 A 21的向量， N是所述叶片三维有限元模型的节点数目； 每个节点的位移包含3个位移分量ux， uy， uz， 每个节点的应力包含 3个主应力σx， σy， σz和3个剪应力 τxy， τyz， τxz共6个应力分量； 基于 所述模态应力振型， 寻找各个 应力方向上的最大应力值对应的节点 号。 5.根据权利要求4所述的一种基于非接触测量的叶片多模态最大应力预测方法， 其特 征在于， 第三步骤(S 3)中， 对待 预测叶片在所述多模态共振下开展非接触位移测振试验， 使 用非接触式位移传感器如激光测振仪测 量叶尖某测 点在多模态共振下沿 叶片周向的振动 位移u(t)≈aisin(2 π fit+θi)+ajsin(2 π fjt+θj)+…， a， ω， θ 分别表示参与多模态共振的某一 阶振动的幅值、 角频率和相位， t 表示叶片发生多模态振动的时间。 6.根据权利要求5所述的一种基于非接触测量的叶片多模态最大应力预测方法， 其特 征在于， 第三步骤(S3)中， 对所述位移测点测得的振动位移信号进行快速傅里叶变换 η＝0， 1， 2， …， No‑1， 分解为前m阶模态的单模态振动， 其中No为序列点数， η是频域离散值的序号， 从而获得各阶单模态振动对应的幅值ak和相位 θk， 并从中筛 选出参与多模态共 振的模态阶次对应的幅值ai， aj，…和相位θi， θj，…。 7.根据权利要求6所述的一种基于非接触测量的叶片多模态最大应力预测方法， 其特 征在于， 第四步骤(S4)中， 基于所述位移传感器的测点位置， 以及有限元分析获得的所述参 与多模态共振的各阶模态位移和应力振型信息， 分别计算从测点到各阶单模态最大应力点 的位移‑应力转换关系系数 Ri表示i阶模态的位移 ‑应力转 换关系系数， φi， p表示i阶模态的位移振型在所述测点处的数值， 位移振型方向选取为与 叶片周向同向， 表示i阶模态的应力振型最大应力点处的数值， 应力振型方向选取 为待预测的动应力方向。 8.根据权利要求7所述的一种基于非接 触测量的叶片多模态最大应力预测方法， 其特征 在于， 第五步骤(S5)中， 基于所述参与多模态 共振的各阶模态位移振动的幅值ai， aj，…和相 位θi， θj，…， 以及所述 各阶模态的位移 ‑应力转换关系R， 叠加获得叶片有限元模型各节点在 一个多模态共振周期内的动应力变化函数 为i阶模态沿某方向的应力振型在所述节点处的数值。 9.根据权利要求8所述的一种基于非接触测量的叶片多模态最大应力预测方法， 其特 征在于， 第六步骤(S6)中， 对所述多模态共振周期按时间步长Δt＝1/NPfmax进行划分， fmax权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115114721 A 3