基于时域振动响应非线性度的叶片裂纹定位方法

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1、密级：（非密）中图分类号：（TP277）硕士学位论文基于时域振动响应非线性度的叶片裂纹定位方法研究生：张文安导师：蒋勉专业类别：工程硕士专业领域：机械工程2018年5月AThesisSubmittedfortheDegreeofMasterCracklocationmethodforbladesbynonlinearitymeasuresofvibrationresponsesCandidate：ZhangWenanSupervisorandRank：A.P.JiangMian基于时域振动响应非线性度的叶片裂纹定位方法学位类型专业学位作者

2、姓名张文安作者学号15020301003学科（专业学位类别)工程硕士（机械工程）研究方向（专业领域)复杂装备智能诊断与健康维护导师姓名及职称蒋勉副教授实践导师姓名及职称邵威高级工程师所在学院机电工程学院论文提交日期2018年5月学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位

3、论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要在交变载荷、随机载荷以及自然环境因素的长期作用下，风力机叶片容易萌生裂纹影响其使用寿命和风电机组的安全可靠运行。振动法是结构损伤检测领域的主流和核心方法之一，一般可分为基于频率、模态和

4、频响函数的方法。风力机叶片巨大的尺寸使得局部裂纹对其固有频率和全局模态影响不明显。基于频响函数的方法大多是基于线性假设，由于叶片复合材料的非线性特性和局部非线性导致其在裂纹位置的识别和判定上的应用需要进一步研究。本文针对叶片上裂纹位置刚度和阻尼的变化将使得临近位置点非线性振动响应的特性发生最大改变的特点，提出基于时域振动响应非线性度的叶片裂纹定位方法研究，对叶片进行区域划分采用分布式振动检测方法来获得多位置点振动响应信号，分别估计叶片无裂纹和局部产生裂纹时各分布点振动响应信号的非线性程度，以无裂纹振动响应非线性度估计值为基准计算裂纹产生时

5、多位置点振动响应非线性度估计值的变化，通过识别非线性度估计值变化的最大位置实现裂纹产生区域的定位。本文主要研究工作如下：(1)系统动力学行为非线性度基本理论及小型叶片实验测试平台搭建。将风力机叶片抽象成为悬臂梁，建立了悬臂梁无裂纹和含裂纹两种振动响应分布参数模型，基于时空分离原理在理论上分析了裂纹产生对悬臂梁动力学非线性行为的影响，基于上述分析介绍了系统动力学行为非线性度的基本概念、数学计算方法；设计了基于机器视觉的叶片多位置点横向振动测试方案，搭建了基于机器视觉测振的小型叶片实验测试平台，建立了叶片多位置点振动响应信号获取方法，并利用激

6、光位移传感器进行了测量精度验证，结果表明基于机器视觉振动测试方法具有较高的可靠性。(2)基于奇异值分解计算实现的叶片裂纹非线性度定位方法。将多位置点振动响应信号组建成矩阵信号，提出采用矩阵奇异值分解方法寻找最优线性近似矩阵信号，建立分布振动响应信号非线性度估计基准以及相应的非线性度计算方法，通过寻找非线性度变化向量中分量的最大值位置实现裂纹区域的定位；利用小型叶片振动试验测试平台分别对悬臂梁和小型叶片两种对象进行定频激励振动实验测试，获取无裂纹和含裂纹情况下分布振动响应信号计算振动响应非线性度变化值向量，从而实现对裂纹发生区域的定位，验证

7、了基于奇异值分解计算实现的叶片裂纹非线性度定位方法的准确性。(3)基于互信息估计振动响应非线性度变化量的叶片裂纹定位方法。针对外部噪声易影响基于分布振动响应奇异值分解的叶片裂纹定位效果的问题，进一步提出了基于互信息估计振动响应非线性度变化量的叶片裂纹定位方法。将无裂纹叶片和有裂纹叶片各位置点的非线性振动响应信号S变换到时频域，计算得到叶片裂纹损伤前后各对应位置点振动响应互信息的值，实现裂纹影响临近位置点振动响应非线性度变化量的度量，从而通过寻找非线性度变化向量中分量的最大值位置实现裂纹区域的定位。利用小型叶片i振动试验测试平台分别对悬臂梁

8、和小型叶片两种对象进行定频激励振动实验测试，获取无裂纹和含裂纹情况下分布振动响应信号，计算得到损伤前后分布位置振动响应互信息值和非线性度变化量，实现裂纹区域的准确定位，进一步验证了基于时域振动