旋轉(zhuǎn)葉片動(dòng)應(yīng)變FBG分布式檢測及振動(dòng)估計(jì)研究.pdf

1、以航空發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的葉片類旋轉(zhuǎn)機(jī)械是工業(yè)領(lǐng)域一類重要裝備，隨著科學(xué)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步、效率的提高，此類裝備不斷向大型化、高速化、柔性化發(fā)展。葉片作為功能轉(zhuǎn)化的核心，所承受的單位負(fù)載不斷增加，設(shè)計(jì)安全系數(shù)甚至達(dá)到1。這種情況下，對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片實(shí)時(shí)、在線的檢測、監(jiān)測手段成為提高裝備性能、可靠性的關(guān)鍵。
　　光纖光柵(FBG)是一種新型光學(xué)應(yīng)變傳感器，具有質(zhì)量輕、體積小、一線多點(diǎn)、分布式測量、抗電磁干擾、光信號(hào)可在空氣中傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。利用FB

2、G傳感器的這些特點(diǎn)，可對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片的動(dòng)應(yīng)變及相關(guān)參量進(jìn)行測量，可滿足旋轉(zhuǎn)葉片在空間狹小、高速旋轉(zhuǎn)、高溫、高壓等苛刻工況條件下的測量要求，對(duì)加深高速旋轉(zhuǎn)葉片力學(xué)行為的認(rèn)識(shí)，提高我國葉片類旋轉(zhuǎn)機(jī)械的研究、設(shè)計(jì)、分析、加工、制造水平都具有重要意義。
　　同時(shí)，旋轉(zhuǎn)也是工業(yè)裝備的普遍特征，此項(xiàng)研究也可推廣至通用裝備的旋轉(zhuǎn)部件測量，提高對(duì)所有具備旋轉(zhuǎn)特征的工業(yè)裝備的認(rèn)識(shí)，對(duì)提高這些工業(yè)裝備的研究、設(shè)計(jì)、分析、加工、制造水平都具有重要意義。

3、r>　　本文首先建立了航空發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片動(dòng)應(yīng)變測量的方法。介紹了FBG應(yīng)變測量的原理，利用FBG光信號(hào)可在空氣中傳輸?shù)奶匦?，分析了旋轉(zhuǎn)葉片上FBG應(yīng)變測量信號(hào)傳輸?shù)膸追N方法，在此基礎(chǔ)上選擇C-LENS透鏡法進(jìn)行了深入分析，并基于分析的結(jié)果利用兩個(gè)C-LENS透鏡進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，C-LENS透鏡法可在旋轉(zhuǎn)軸端跳動(dòng)最大0.8mm的工況下傳輸光信號(hào)。但C-LENS透鏡法對(duì)旋轉(zhuǎn)軸夾角的變化非常敏感，最終實(shí)驗(yàn)裝置在最大4000r/min

4、下實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)部件動(dòng)應(yīng)變FBG檢測光信號(hào)的傳輸。
　　隨后，通過分析動(dòng)應(yīng)變與振動(dòng)間的關(guān)系，提出通過旋轉(zhuǎn)葉片動(dòng)應(yīng)變估計(jì)旋轉(zhuǎn)葉片振動(dòng)的方法。由彈性力學(xué)、動(dòng)力學(xué)的基本理論，任意結(jié)構(gòu)的強(qiáng)迫振動(dòng)方程均可利用假設(shè)模態(tài)法近似求解，各階模態(tài)可視為強(qiáng)迫振動(dòng)方程解空間的基，則不同位置振動(dòng)可用振動(dòng)體各階模態(tài)的組合或振動(dòng)方程解空間的基來逼近，而不同模態(tài)在不同位置的名義應(yīng)變是唯一的，從而通過動(dòng)應(yīng)變可估計(jì)旋轉(zhuǎn)葉片的振動(dòng)情況;然后，將變截面、變厚度、預(yù)扭曲的旋轉(zhuǎn)

5、葉片簡化為旋轉(zhuǎn)等截面梁，將旋轉(zhuǎn)等截面梁簡化為靜態(tài)等截面粱，依次求解等截面懸臂梁、旋轉(zhuǎn)等截面懸臂梁、旋轉(zhuǎn)葉片動(dòng)應(yīng)變→振動(dòng)的方程。
　　以動(dòng)應(yīng)變→振動(dòng)理論分析和旋轉(zhuǎn)信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)工作為基礎(chǔ)，分別測試了等截面懸臂梁、旋轉(zhuǎn)等截面懸臂梁、某型發(fā)動(dòng)機(jī)二級(jí)動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)態(tài)的動(dòng)應(yīng)變，并分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，估計(jì)了實(shí)驗(yàn)對(duì)象的振動(dòng)。其中針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)二級(jí)動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)態(tài)的動(dòng)應(yīng)變的測試結(jié)果表明，存在一個(gè)頻率簇，此頻率簇對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性有非常大的影響，應(yīng)在設(shè)計(jì)中