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        航空發(fā)動機葉片聲振模態(tài)試驗方法研究

        2021-01-13 04:00:28陳國一雷霆王和劉軍李麗遠
        環(huán)境技術(shù) 2020年6期
        關(guān)鍵詞:頻響振型測點

        陳國一,雷霆,王和,劉軍,李麗遠

        (1.天津航天瑞萊科技有限公司,天津 30000;2.北京強度環(huán)境研究所,北京 100076)

        引言

        葉片作為航空發(fā)動機關(guān)鍵部件,其工作環(huán)境復(fù)雜惡劣,經(jīng)受復(fù)雜載荷環(huán)境,極易發(fā)生損壞[1],并且發(fā)動機的葉片經(jīng)常進行高周疲勞試驗,而葉片的模態(tài)分析可以為高周疲勞試驗提供數(shù)據(jù)支撐,有效開展后續(xù)高周振動疲勞試驗[2]。也可通過模態(tài)分析和有限元結(jié)算結(jié)果相比較,驗證有限元計算的準確性。但葉片自身的質(zhì)量較輕,采用接觸式傳感器對試驗結(jié)果可能會存在附加質(zhì)量影響。目前國內(nèi)外均利用激光等非接觸測量技術(shù)解決這種問題,但是這種試驗方法中的成本較高,試驗的過程也比較復(fù)雜。本文通過取某發(fā)動機某級動葉葉片進行模態(tài)測試分析,采用聲壓傳感器進行模態(tài)試驗,與傳統(tǒng)接觸式測量方法進行比對,通過前三階次的固有頻率、振型、阻尼對比分析,最終確定針對葉片模態(tài)試驗的最適用方法。

        1 基本理論

        葉片模態(tài)試驗中,一般利用加速度傳感器進行模態(tài)試驗,采用力錘進行激勵,獲取加速度傳感器的響應(yīng)信號,對激勵信號和加速度信號的傳遞函數(shù)進行模態(tài)擬合得到頻率、振型、阻尼比等參數(shù),這種方式在模態(tài)試驗中比較通用,但對于葉片的這種輕質(zhì)量結(jié)構(gòu)件來說未必適用。而基于聲振的互易原理,采用聲壓傳感器進行模態(tài)測試,基于振動和聲的互易性,在參考點激勵,測量響應(yīng)點的聲壓量級,得到兩者的頻響函數(shù),進行模態(tài)參數(shù)擬合[3,4]。

        互易性原理:

        第i點給予激勵力,j點得到聲壓量級,得到的頻響函數(shù)在第j點用聲源進行激勵,在i點得到響應(yīng),得到的頻響函數(shù)大小相同,方向相反。

        聲振的方程為:

        式中:

        x—為結(jié)構(gòu)位移;

        p—聲壓;

        Ks—結(jié)構(gòu)剛度矩陣;

        KcT——轉(zhuǎn)制置矩陣;

        Kf—流體剛度矩陣;

        Kc—結(jié)構(gòu)響應(yīng)和聲學(xué)激勵;

        Ms—流體質(zhì)量矩陣;

        Cs—結(jié)構(gòu)阻尼矩陣;

        Cf—流體阻尼矩陣;

        ρ—介質(zhì)密度;

        f—結(jié)構(gòu)激勵;

        q—體積速度。

        且 As=(Kf-jωCf-ω2Mf)/ρ

        則式(1)簡寫為

        式(2)導(dǎo)出兩個聲振頻響函數(shù)矩陣

        進行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析時,如葉片,環(huán)境是不封閉的,一點體積聲源發(fā)出的功率W,其中能被板吸收用于產(chǎn)生振動的為固定的比例系數(shù)β。因此式(1)可為:

        在發(fā)動機葉片模態(tài)試驗中,為了獲取較高的信噪比,應(yīng)使傳聲器位置盡可能的靠近被測結(jié)構(gòu),以使β值盡可能大。且測試過程中一般不變動傳聲器,保證β值不變。

        2 葉片模態(tài)試驗方法

        進行葉片模態(tài)試驗方法須有一種前提假設(shè),由于實際大多數(shù)葉片結(jié)構(gòu)不是均勻厚度的,分為進氣邊和排氣邊,進氣邊厚度比較大,排氣邊相對較薄,并且整個葉身部位有很大曲率。因此試驗結(jié)構(gòu)采用近似的方法,會使最終分析得到的振型圖與實際葉片振型有部分偏差。但這種偏差對于葉片的固有頻率和阻尼基本沒有影響。

        2.1 使用加速度測點方法

        本例中采用粘貼加速度傳感器方法進行葉片模態(tài)試驗,在葉片上放置1個加速度傳感器和30個測點(如圖1、圖2),分析頻率為1 500 Hz。把葉片、夾具剛性連接,測點24#位置的背面粘貼加速度傳感器,采用錘擊法進行試驗。利用MIMO(多輸入多輸出)計算每個測點的響應(yīng)與參考信號的頻響函數(shù),使用ERA算法進行擬合,得出葉片前三階的固有頻率、振型和阻尼比。

        2.2 使用聲振法進行模態(tài)試驗

        同尺寸同規(guī)格的葉片,采用聲振法進行模態(tài)試驗,也采用MIMO(多輸入多輸出)得到模態(tài)參數(shù)。在葉身部位布置3個聲傳感器和30個測點(如圖1、圖2),分析頻率為1 500 Hz,其中測點7#、13#、24#為聲傳感器布置點。同樣的安裝固定方式,移動力錘進行模態(tài)測試。通過得到聲壓級計算每個測點的響應(yīng)與參考的頻響函數(shù),最終得出葉片前三階的固有頻率、振型和阻尼比。

        圖1 葉片安裝狀態(tài)

        3 試驗結(jié)果分析與討論

        通過對力錘激勵下,逐個測量葉片上每個點的響應(yīng),進行所有測點的頻響函數(shù)計算(如圖3),采用ERA模態(tài)擬合方式(如圖4),最終可以得出葉片前三階固有頻率、振型和阻尼比等模態(tài)參數(shù)。

        圖2 葉片聲振法模態(tài)試驗測點分布

        圖3 葉片聲振模態(tài)試驗頻響函數(shù)圖

        圖4 葉片聲振模態(tài)試驗參數(shù)穩(wěn)態(tài)圖

        葉片前三階的聲振法模態(tài)試驗及加速度法模態(tài)試驗結(jié)果見表1所示。

        對比聲振法模態(tài)試驗和加速度法的模態(tài)參數(shù)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):

        1)聲振法相對于加速度法的一階沒有更多的改變,這是由于粘貼加速度傳感器位置選擇相對較好,試驗中通過不同位置粘貼的傳感器數(shù)據(jù)差異性很大,這里不進行詳細闡述。而變換聲振傳感器的位置對試驗結(jié)果影響并不大,分析得出附加質(zhì)量對模態(tài)參數(shù)影響較大。

        2)聲振法模態(tài)試驗相比較加速度法,模態(tài)的結(jié)果改善明顯。

        3)聲振法相對于加速度法更接近于計算結(jié)果,兩者模態(tài)頻率差異為3 %以內(nèi)。

        4 結(jié)論

        本文主要研究航空發(fā)動機葉片的模態(tài)試驗方法,并且主要研究一階模態(tài),因為通常在振動試驗過程中,通常一階模態(tài)參數(shù)為研究重點,從整個研究過程中可以得出:通過聲振模態(tài)和加速度模態(tài)試驗結(jié)果對比,利用聲傳感器代替加速度傳感器的模態(tài)試驗方法確實合理可行,聲振模態(tài)試驗方法也更適用于航空發(fā)動機葉片模態(tài)試驗。并且對于附加質(zhì)量影響比較嚴重的產(chǎn)品,利用聲振模態(tài)也均能得到比較好的模態(tài)參數(shù)。

        表1 葉片前三階試驗結(jié)果比對

        圖5 聲振法模態(tài)振型

        圖6 加速度法模態(tài)振型

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