一种适于航空发动机机载的整机振动评估方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115077919A(43)申请公布日2022.09.20(21)申请号202210595102.7(22)申请日2022.05.28(71)申请人西北工业大学地址710072陕西省西安市友谊西路127号(72)发明人王俨剀姚尚鹏高术依王彤(74)专利代理机构西北工业大学专利中心61204专利代理师慕安荣(51)Int.Cl.G01M15/12(2006.01)权利要求书8页说明书22页附图3页(54)发明名称一种适于航空发动机机载的整机振动评估方法(57)摘要一种适于航空发动机机载的整机振动评估方法，以降低虚警损失和误诊损失为目标。在航空发动机典型故障的智能诊断中，通过有限元模型进行故障响应仿真得到典型故障的振动响应；提取典型故障的时域以及频域特征作为bp神经网络输入参数。在模型训练过程中提出了考虑虚警损失和误诊损失的损失函数，以该损失函数最小化作为训练目标。并考虑到误诊情况下发动机存在严重实际损失风险，因此引入风险系数εi使得在模型参数迭代优化过程中更多的降低误诊损失。最后采用仿真数据进行模型准确性是否满足诊断要求的验证。本发明可针对不同结构的发动机转子进行建模仿真以及诊断模型训练，具有较为广泛的适用性。CN115077919ACN115077919A权利要求书1/8页1.一种适合航空发动机机载的整机振动评估方法，其特征在于，步骤1，建立单转子有限元模型：所述建立转子有限元模型的具体做法如下：第一步；建立子坐标系；包括OXYZ为固定坐标系和Oxyz为旋转坐标系；转子系统在变形状态下，其任意横截面相对于固定坐标系OXYZ的位置用V,W,B,Γ表示，V表示Y方向的位移，W表示Z方向的位移，B表示绕Y轴的转角，Γ表示绕Z轴的转角；第二步，推导盘单元运动微分方程；得固定坐标系OXYZ中刚性盘的运动微分方程为：式中：是刚性盘的质量矩阵及惯性矩阵；Gd是刚性盘的陀螺效应矩阵；Qd是刚性盘的外力向量；d是盘单元上标；q为位移矢量；为q一次求导项；为q二次求导项；第三步，确定等截面弹性轴段单元运动微分方程；所述等截面弹性轴段在固定坐标系中的运动微分方程如下：式中：是等截面单元的质量矩阵；Ge是梁单元的陀螺效应矩阵；Ke是梁单元的刚度矩阵；Qe是梁单元的外力向量；q为位移矢量；为q一次求导项；为q二次求导项得到轴段单元任意截面横向平动位移与横向转角位移的表达式后，通过形函数可将任意微元段坐标用单元坐标qe表示，这样微元段的势能dPe和动能dTe同样可用单元坐标qe表示：式中：ΘΓ‑Ψ′V为YOX平面的剪切变形；‑ΘB‑Ψ′W为ZOX平面的剪切变形；ρl为单位长度的质量；Id为单位长度的直径转动惯量；Ip为单位长度的直径转动惯量；Φ为转角；第四步，计算普通轴承运动微分方程；在考虑线性刚度和阻尼时，轴承的运动方程为式中，Cb为轴承阻尼矩阵；Kb为轴承刚度矩阵；Qb_ex为轴承处外力；上标b表示普通轴承元素；2CN115077919A权利要求书2/8页第五步，组装运动方程；将盘元素、轴元素和轴承元素的运动方程组装成系统运动方程时，需要将各同类项的系数矩阵相加；组装后的转子系统稳态运动方程为：式中，M为转子系统的质量矩阵，C为转子系统的阻尼矩阵，G为转子系统的陀螺效应矩阵，K为转子系统的刚度矩阵，qs为转子系统的位移向量，Qs为转子系统的外力向量；至此，建立了单转子动力学模型，然后将该模型在matlab环境中编程；即可进行下一步的动力学响应计算；步骤2，求解步骤1所建立的单转子模型的的典型故障的动力学响应：所述整机振动的典型故障为不平衡故障、不对中故障、转静碰摩故障和叶片掉块故障；第一步，确定转子系统的不平衡量大小与位置、不平衡故障力表达式、以及不平衡时的发动机转速信息；将故障力施加于转子模型模拟盘位置；利用matlab编程求解单转子动力学模型的振动响应得到20组不平衡故障时域响应；所述时域响应为不平衡故障情况下的振动幅值随时间的变化；对所述时域响应进行傅里叶变换，得到n1组不平衡故障情况下发动机振动的频域响应，所述频域响应为转子系统不平衡故障情况下的振动幅值随频率的变化；在步骤一第5步所组装的运动方程中，模拟盘上的不平衡质量产生的离心力是不平衡振动中周期性激励的主要来源；设转子不平衡质量为m，偏心距离为e，不平衡质量初始相位为θ，若转子角速度为ω，转子转动的时间为t，则不平衡故障水平方向沿x轴的离心力Fx1以及不平衡故障竖直方向沿y轴的离心力Fy1表示为：22Fx1＝meωcos(ωt‑θ)，Fy1＝meωsin(ωt‑θ)(26)第二步，确定不对中量大小与位置、不对中故障力表达式、不对中时的发动机转速信息，将故障力施加于转子模型联轴器位置；利用matlab编程求解单转子动力学模型的