模態(tài)試驗(yàn)過(guò)程控制研究

1、模態(tài)試驗(yàn)過(guò)程控制研究【摘要】模態(tài)試驗(yàn)可用于了解燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件固有振動(dòng)特性, 這對(duì)于判斷該結(jié)構(gòu)件是否會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中出現(xiàn)共振并最終可能導(dǎo) 致高循環(huán)疲勞失效是十分必要的。本文以某型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣組 件為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)調(diào)整模態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中的一些參數(shù)的變化來(lái)說(shuō)明細(xì)節(jié)控 制対試驗(yàn)結(jié)果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，就該試驗(yàn)件而言，使用鋼制錘頭與 鋁制錘頭進(jìn)行試驗(yàn)所得到的模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果一致；模型周向網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)量對(duì)頻 率試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有影響，但対振型影響較大；對(duì)于直徑與軸向長(zhǎng)度比較小的 機(jī)匣組件，采用整體建模方法進(jìn)行試驗(yàn)不僅耗時(shí)，而且無(wú)法得到高階振型, 可通過(guò)簡(jiǎn)化模型多次試驗(yàn)最終對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析的方法來(lái)

2、解決?！娟P(guān)鍵詞】風(fēng)扇機(jī)匣；試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析；固冇模態(tài)；固冇頻率；振型0前言燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)作為當(dāng)今社會(huì)重要的動(dòng)力提供者在航空、船舶 以及電力等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)子的高速旋 轉(zhuǎn)，吸入并壓縮空氣，然后通過(guò)燃燒驅(qū)動(dòng)渦輪以達(dá)到提供動(dòng)力的目的1。 高速旋轉(zhuǎn)必然帶來(lái)振動(dòng)問(wèn)題。氣流在經(jīng)過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子之后會(huì)形成一種 周期性激振力作用于發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件上（如轉(zhuǎn)、靜子葉片、機(jī)匣等），當(dāng)激振 力頻率與構(gòu)件的某階固有頻率接近或吻合時(shí)，就可能導(dǎo)致該構(gòu)件發(fā)生共 振，從而導(dǎo)致該構(gòu)件出現(xiàn)高循環(huán)疲勞失效。據(jù)統(tǒng)計(jì)，疲勞是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng) 機(jī)最主要的失效模式，基本占據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)失效模式的一半，而其中又有一半 左右的失效模式為

3、高循環(huán)疲勞失效模式（見(jiàn)圖1）。隨著燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其推重比越來(lái)越高，隨之而來(lái)的則 是越來(lái)越高的壓氣機(jī)增壓比、渦輪前溫度以及越來(lái)越輕的結(jié)構(gòu)重量。這些 改進(jìn)往往惡化了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作條件，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的應(yīng)力水平。這就 要求在新一代發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中更加重視關(guān)鍵部位的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，以確保發(fā) 動(dòng)機(jī)的可靠性和耐久性3。綜上所述，研究發(fā)動(dòng)機(jī)某些關(guān)鍵構(gòu)件的固有振動(dòng)特性，分析其在發(fā)動(dòng) 機(jī)工作時(shí)所可能出現(xiàn)的高循環(huán)疲勞失效對(duì)于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和耐久 性是十分必要的。模態(tài)是構(gòu)件的的固有振動(dòng)特性，一般包括固有頻率以及相對(duì)應(yīng)的固有 振型與阻尼系數(shù)。所謂模態(tài)分析就是將線性定常系統(tǒng)振動(dòng)微分方程中的物 理坐標(biāo)變換為模態(tài)

4、坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù) 描述的獨(dú)立方程，以便求出系統(tǒng)的固有頻率、固冇振型、阻尼系數(shù)等模態(tài) 參數(shù)4-5 o目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件的固有振動(dòng)特性分析主要有理論模態(tài) 分析與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。這兩種分析應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)研制的不同階段。理論模 態(tài)分析主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)初始設(shè)計(jì)階段，可在前期設(shè)計(jì)階段規(guī)避所可能出 現(xiàn)的結(jié)構(gòu)件高循環(huán)疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)；試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)驗(yàn) 證階段，在理論模態(tài)分析基礎(chǔ)上，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行動(dòng)特性分析， 進(jìn)一步規(guī)避其高循環(huán)失效風(fēng)險(xiǎn)并可有效應(yīng)用于有限元模型修正，提高理論 模態(tài)分析的準(zhǔn)確性。二十幾年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，fft分析儀，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以

5、及 振動(dòng)傳感器激振器等技術(shù)的發(fā)展，模態(tài)試驗(yàn)及分析技術(shù)得到了很快的發(fā) 展，受到了機(jī)械、電力、建筑、水利、航空、航天等許多領(lǐng)域的高度重視。 進(jìn)行一個(gè)模態(tài)試驗(yàn)，要想取得最佳的試驗(yàn)結(jié)果，僅僅懂得試驗(yàn)過(guò)程和試驗(yàn) 分析的步驟是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在試驗(yàn)中很多對(duì)細(xì)節(jié)的控制都會(huì)對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果 好壞有很大影響。研究模態(tài)試驗(yàn)中如何通過(guò)一些細(xì)節(jié)的控制對(duì)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié) 果有著重要的實(shí)際意義6。1試驗(yàn)對(duì)象、試驗(yàn)方法及試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介本文模態(tài)試驗(yàn)對(duì)象為某型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣組件。機(jī)匣是航空發(fā)動(dòng)機(jī)及地面燃機(jī)的主耍承力件7,與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子以及 承力軸承等共同組成了轉(zhuǎn)子-支承-機(jī)匣系統(tǒng)8,是支承整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)傳力 的重要組成部分；同時(shí)，機(jī)匣也是形

6、成發(fā)動(dòng)機(jī)流道的主要構(gòu)件。受流道內(nèi) 氣體激勵(lì)、轉(zhuǎn)子不平衡等作用，機(jī)匣都可能產(chǎn)生振動(dòng)。因此對(duì)機(jī)匣進(jìn)行模 態(tài)試驗(yàn)分析，得到其固有振動(dòng)特性是必要的。常用的模態(tài)試驗(yàn)方法主要有三種，分別為單輸入多輸出（simo）、多 輸入多輸出（mimo）以及多輸入單輸出（miso） 9。由于風(fēng)扇機(jī)匣為金 屬構(gòu)件，剛性尚可，考慮試驗(yàn)復(fù)雜程度及周期，選擇單輸入多輸出方法進(jìn) 行試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中采用2302-10型力錘進(jìn)行激勵(lì)，信號(hào)拾取采用b&k 4508b智能型icp傳感器，后端數(shù)據(jù)采集和處理采用b&k公司pluse數(shù)據(jù) 管理系統(tǒng)和me' scope模態(tài)參數(shù)分析系統(tǒng)。模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖見(jiàn)2。2不同錘頭對(duì)

7、試驗(yàn)結(jié)果的影響力錘作為激勵(lì)系統(tǒng)，其錘頭的選擇對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果存在重大影響。不同類型的錘頭激振頻率范用是不同的。通常來(lái)說(shuō)，硬度越高的錘頭所能激勵(lì) 的頻率范圍就越大。由于在采用錘擊法進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)時(shí)，需要進(jìn)行數(shù)百次 甚至數(shù)千次的敲擊，錘頭過(guò)硬就可能存在破壞試驗(yàn)件的風(fēng)險(xiǎn)，因此錘頭的 選擇在確保所激勵(lì)的頻率范圍足夠的基礎(chǔ)上應(yīng)越軟越好。以風(fēng)扇一級(jí)機(jī)匣為例，采用鋼錘頭與鋁錘頭分別進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn) 分析帶寬為6. 4khz,試驗(yàn)頻響函數(shù)見(jiàn)圖3。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在6.4kiiz頻率范圍內(nèi)，采用鋼錘頭和鋁錘頭 得到的試驗(yàn)結(jié)果是一致的，因此對(duì)于該試驗(yàn)，采用鋁制錘頭即可，既不影 響頻率分析范圍，述可降低敲擊導(dǎo)致破壞

8、機(jī)匝的風(fēng)險(xiǎn)。3模型網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響機(jī)匣作為薄壁圓筒件，其標(biāo)準(zhǔn)固有振型為沿周向出現(xiàn)的梅花瓣形，且 瓣數(shù)（m）通常隨著頻率的升高而增加。為了得到機(jī)匣的高階振型（瓣數(shù) 較多），用于模態(tài)試驗(yàn)的模型所需的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)應(yīng)非常多。但網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)不是 越多越好，因?yàn)榫W(wǎng)格點(diǎn)數(shù)越多，試驗(yàn)周期就會(huì)越長(zhǎng)，且當(dāng)網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)達(dá)到一 定程度，兩個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)之間的距離就會(huì)很小，這就導(dǎo)致在傳感器附近的網(wǎng)格 點(diǎn)，其激勵(lì)信號(hào)難以控制（激勵(lì)太大將超過(guò)傳感器量程，激勵(lì)太小則無(wú)法 有效激勵(lì)試驗(yàn)件）。因此，網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)的選擇對(duì)于模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果也很關(guān)鍵。同樣以風(fēng)扇一級(jí)機(jī)匣為例，分別建立周向網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為23和92的線模 型進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，分析帶寬為1.6khz

9、,表1列出了部分頻率結(jié)果，圖4為 采用這兩種模型得到的3階典型振型圖。從該試驗(yàn)結(jié)果可以看出，網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)的不同對(duì)機(jī)匣的固有頻率結(jié)果并無(wú)太大影響（誤差在5%以內(nèi)）， 但對(duì)振型結(jié)果影響較大。從圖4來(lái)看，瓣數(shù)少于11的振型（圖4左、中）, 通過(guò)兩種不同模型所得到的結(jié)果是一致的；対于瓣數(shù)為12的振型（圖4 右），通過(guò)23個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的模型無(wú)法有效得到。根據(jù)該試驗(yàn)結(jié)果可以得到如下試驗(yàn)結(jié)論：對(duì)于機(jī)匣類的薄壁圓筒形試 驗(yàn)件，用于模態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹芟蚓W(wǎng)格點(diǎn)數(shù)最少必須大于瓣數(shù)的2倍。換而 言之，若所需得到的試件振型具有n個(gè)梅花瓣，那么在建模時(shí)，模型周向 網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)必須大于2no4模型簡(jiǎn)化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響整體機(jī)匣試驗(yàn)件不僅直

10、徑較大而且軸向長(zhǎng)度也較長(zhǎng)。針對(duì)這類試驗(yàn) 件，如果采用整體建模進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，不僅試驗(yàn)周期長(zhǎng)，而且對(duì)于高階振 型，往往識(shí)別效果很差。以風(fēng)扇整體機(jī)匣為例，以圓柱面為基礎(chǔ)建立其整體模型，周向網(wǎng)格點(diǎn) 92個(gè)，軸向網(wǎng)格點(diǎn)10個(gè)，共計(jì)920個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，模型圖見(jiàn)圖5。采用錘擊法進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，部分試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，由于試驗(yàn)件尺寸較大，因此利用力錘無(wú)法充分激勵(lì) 該試驗(yàn)件，導(dǎo)致高階振型無(wú)法分辨。i何對(duì)這種情況，可以考慮采用簡(jiǎn)化模型、多次試驗(yàn)，最終綜合試驗(yàn)結(jié) 果的方法來(lái)解決。仍以風(fēng)扇整體機(jī)匣為例，它由風(fēng)扇1、2、3級(jí)機(jī)匣通過(guò)安裝邊連接而 成。對(duì)于每一段機(jī)匣而言，由于其軸向長(zhǎng)度與直徑的比值較小，可以假設(shè) 其

11、在軸向各截面不會(huì)出現(xiàn)不同梅花瓣數(shù)的振型?；谏鲜黾僭O(shè)，對(duì)風(fēng)扇整 體機(jī)匣進(jìn)行3次周向模態(tài)試驗(yàn)，分別對(duì)應(yīng)風(fēng)扇13級(jí)機(jī)匣，最后進(jìn)彳亍整 體軸向模態(tài)試驗(yàn)。最終對(duì)這4個(gè)模態(tài)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行綜合分析。對(duì)于風(fēng)扇13級(jí)機(jī)匣周向模態(tài)試驗(yàn)，選取機(jī)匣中部一圈建立網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為92的線模型，對(duì)于整體機(jī)匣軸向模態(tài)試驗(yàn)，沿機(jī)匣軸向建立 一條網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為20的線模型。所有模型網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)相加僅為296點(diǎn)。采用 錘擊法分別進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，部分典型試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。以固有頻率為331hz左右的振型為例，根據(jù)整體模型所得到的振型見(jiàn) 圖6 （其中3級(jí)機(jī)匣在上，1級(jí)機(jī)匣在下），根據(jù)簡(jiǎn)化模型得到的振型見(jiàn)圖 7 （從左到右分別為1、2、3級(jí)機(jī)匣周向和整

12、體機(jī)匣軸向振型）。表3簡(jiǎn)化 模型部分典型模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果從圖6可以看出，該階振型為復(fù)合振型，其中軸向節(jié)線應(yīng)在2級(jí)機(jī)匣 上，1、2、3級(jí)機(jī)匣的波瓣數(shù)為6o而綜合圖7中的四個(gè)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果也 可以得到相同的結(jié)論。據(jù)此可以推斷，表3中頻率為730ilz左右所對(duì)應(yīng)的振型應(yīng)為1級(jí)機(jī)匣 周向11個(gè)瓣，2級(jí)機(jī)匣周向10個(gè)瓣，3級(jí)機(jī)匣周向12個(gè)瓣，且沿軸向有 2個(gè)節(jié)點(diǎn)。而該頻率所對(duì)應(yīng)的振型通過(guò)整體模型無(wú)法有效獲得（見(jiàn)表2）。5結(jié)論（1）對(duì)于風(fēng)扇一級(jí)機(jī)匣，在6. 4khz頻率范圍內(nèi)，采用鋼制錘頭與鋁 制錘頭所得到的模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果一致，因此可以采用鋁制錘頭進(jìn)行試驗(yàn)。（2）対于薄壁圓筒形構(gòu)件，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹芟蚓W(wǎng)格點(diǎn)數(shù)至少應(yīng)超

13、過(guò)所 關(guān)心振型瓣數(shù)的2倍以上，否則無(wú)法冇效得到高階振型；但點(diǎn)數(shù)多少并不 影響頻率結(jié)果。（3）對(duì)于尺寸較大且直徑與軸向長(zhǎng)度比值較小的薄壁圓筒形構(gòu)件， 可以考慮采用簡(jiǎn)化模型后多次試驗(yàn)并最終綜合所有試驗(yàn)結(jié)果的方法來(lái)獲得較為精確的高階振型并縮短試驗(yàn)周期。從木文試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，對(duì)頻率范 圍在1. 6kiiz以內(nèi)的振型還是適用的。如果所關(guān)心振型的頻率超過(guò)1. 6kiiz, 由于薄壁圓筒形構(gòu)件的固有頻率非常密集，想在分別進(jìn)行的模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果 屮找到代表相同振型的頻率就會(huì)變得非常困難。這種情況下，采用激振器 代替力錘進(jìn)行激勵(lì)可能會(huì)得到更好的結(jié)果?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】ljpericles pilidis, j. r. palmer (2012) gas turbine theory and performanced cranfield university.2 s. suresh fatigue of materialsm.2nd od. cambridge uni versi ty press, 19983 高德平，等航空渦噴、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(研究報(bào)告)： 第四冊(cè)z北京：中國(guó)航空工業(yè)總公司發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工程局，19974 沃德?海倫，斯蒂芬?拉門茲，波爾?薩斯模態(tài)分析理論與實(shí)驗(yàn)m. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2001.5 傅志方，華宏星模態(tài)分析理論與應(yīng)用m 上海：上海交通大學(xué)出 版社，2000.6 土女