用模态分析测定发动机叶片振动特性

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1、用模态分析测定发动机叶片振动特性用模态分析测定发动机叶片振动特性杨伟(哈尔滨东安发动机(集团)有限公司哈尔滨150066)【摘要】本文主要介绍了利用模态分析的方法,对发动机叶片进行振动特性分析.重点介绍了利用锤击法测定某发动机1级涡轮叶片的模态参数.详细分析了在模态试验中的各项工作以及容易引起测量误差的地方,并结合试验总结了一些在模态分析中的经验教训.【关冀词】模态分析锤击静频振型传递函数固有频率激励一,前言在发动机的生产,研制和使用中,必须测定叶片振动特性参数.叶片振动特性参数通常是指:叶片的静频,振型,阻尼和振动应力等.用锤击法作结构振动的模态分析是近年来迅速

2、发展起来的.对叶片做锤击振动试验,首先要在叶片的叶身部分划线确定敲击点.由于敲击点信息在数据处理后可以反映该点的振动位移,所以最好要避开节线.一般情况下用锤击法作叶片静频参数测定,如单求频率和阻尼时,只要敲击一点并只测一点响应即可.二,模态理论筒述由振动理论可知:一个线性振动系统,当它按自身某一阶固有频率作自由谐振时,整个系统将具有确定的振动形态(简称振型或模态).所谓振动模态分析法,就是利用系统固有模态的正交性,对通常所选取的物理坐标进行线性变换,这个用模态坐标和模态参数所描述的各个独立方程,称为模态方程.¨模态分析的首要任务是要求出系统各阶的模态参数(例如系统

3、的固有频率和振型;模态质量或模态冈度,以及模态阻尼等).一个具有N个自由度的线性振动系统,若不计及阻尼的影响,则其自由振动的运动微分方程的一般形式可以表示为:(曩】IiH?C{J一{O}此方程具有非零解的唯一条件是:I(一[一I)l—D.COa即为系统的固有频率,分别称为1阶,2阶N阶固有频率每个特征值CO对应的特征向量即为系统的模态向量或振型向量.因此模态试验的目的是为模态参数识别提供可靠的频率响应函数或脉冲相应函0.三,模态试验模态试验测试系统主要由以下几个部分组成:激振部分,信号测量与数据采集部分,信号分析和频响函数估计部分.3.1结构的安装进行模态试验的结

4、构在实际的工作环境中,总处于一定的约束状态设置试验时,选择结构的支承方式首先考虑是否模拟其真实的约束状态.通常用一种非常柔软的悬挂系统将被试结构支承起来,以模拟自由支承.这种情况下结构的刚体模态的频率已不为零.一般悬挂系统的固有频率应低于2Hz.理论上,结构的刚体运动模态所对应的固有频率是零,但是悬挂会改变刚体模态频率,因此最好的悬挂结果是悬挂引起的最高刚体模态频率COmax(即结构不产生任何弹性变形)"比最低的弹性模态频率"O要低的多((1)√Q<0.1~0.2).这时刚体模态对弹性模态的影响可以忽略不记.3.2激励的选择为了测量结构的频率响应函数,必须对

5、结构施加激励.常见的激励方式有:力锤激励和激振台激励.力锤激励的优点是快速,方便,适合于现场测量,缺点是需要有经验的测试工程师.激振台激励的优点是信噪比高,缺点是速度慢由于条件的限制,我们主要使用力锤进行激励.力锤所日l起的激励带宽取决于力作用的时间长短,这既与锤头有关,也与被激励物的表面材料有关,硬锤头提供较窄的脉冲从而获得较宽的频率范围,软锤头反之.常用的锤头有三种:铝,塑料,橡胶,锤头的选择一般根据力信号的自功率谱在最高频率处比最大值下降不超过1020dB.为在分析中获得最优的动态特性,激励的频率范围最好与分析带宽匹配.3.3传感器的定位传感器的定位首先应根

6、据结构建模的需要进行选择.比如可先建有限元网络,然后找出所需的结构作为响应测点.另一个应考虑的条件是应让响应的测点尽可能避开各阶模态的节点,这在模态试验前通常很难预测,需要在试验中反复调整.传感器的正确安装也非常重要.为了保证安装的传感器能感受真实的振动信号,要求安装提供足够的刚性,既不能明显增加结构质量,同时还要保证传感器的方向与测振方向一致.传感器布置的原则一般是均匀布鬣在被测物上,局部感兴趣的位置也可以多布置.在试验中我们采用的是激光测振仪,通过一束激光打在被测结构上,来测量结构的振动,这样就避免了振动传感器质量对结构的影响.3.4确定激励方案在进行模态试验

7、之前,可以先通过有限元分析计算出理论振型,观察节点位置,在测量时不要将传感器布置在这些节点,因为节点是反共振点,即对某一阶模态,无论多大的激励都没有足够的响应,所以为了能让每一点都能反映振型的信息,参考点尽量不要布置在节点为了利用最少的测量次数得到最多的振型自由度,我们优先选择移动锤击激励,固定响应参考点(属于单参考测量).3.5系统框图3.6用模态测试软件测量结构频响在模态测试软件PULSE一>Applications一>ModalAnalysis菜单中选民工免费提供职业生涯规划的知识咨询服务及农民工规划的成功案例作为参考等.在我国现代化和城市化的进

8、程中农民工