[发明专利]一种利用涂层修复失谐叶盘的方法

摘要

本发明提供一种利用涂层修复失谐叶盘的方法。该方法经过对失谐叶盘进行几何尺寸测量、模态测试、失谐辨识计算、获取不同厚度涂层的刚度补偿量、涂层修复方案设计、修复方案有限元模型失谐辨识、通过数值仿真判定修复方案是否达标、失谐叶盘进行实际涂层修复、判定实际修复后的叶盘是否存达标、修复后叶盘的再加工、判定再加工后叶盘是否存达标，如果达标即完成修复。本发明的修复原理更加符合叶片动力学要求，并且修复成本低。此外，本发明适用的涂层种类较广泛。只要是适合叶盘工况的涂层材料均可适用。

主权项

1.一种利用涂层修复失谐叶盘的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：对失谐叶盘进行失谐辨识，获得各叶片的质量失谐和刚度失谐数据；步骤1.1：对失谐叶盘表面的油污、锈蚀进行清理，以满足涂层涂敷要求；步骤1.2：对失谐叶盘各叶片的外形尺寸进行测量，获得每个叶片的体积按照如下公式计算每个叶片的质量失谐量式(1)中，j为失谐叶盘叶片序号，为失谐叶盘第j个叶片质量失谐量，b作为上标表示实际失谐叶盘，V^yp为理论的协调叶片体积，yp作为上标表示理论协调叶盘的叶片；步骤1.3：对失谐叶盘进行模态测试，获得失谐叶盘的固有频率ωb和振型X；步骤1.4：结合步骤1.2的质量失谐辨识结果对失谐叶盘进行刚度失谐辨识，得到各叶片的刚度失谐量具体步骤如下：步骤1.4.1：根据失谐叶盘的理论设计尺寸建立协调的叶盘有限元模型，并进行模态分析获得失谐叶盘的固有频率ωi和正则振型矩阵Φ，并从模态分析结果中提取每个叶片振型矩阵Φj；步骤1.4.2：分别通过以下公式获得失谐叶盘正则坐标向量Pb和协调叶盘的正则刚度矩阵Λ；Pb＝Φ‑1X    (2)式中，i为模态阶数，n为协调的叶盘有限元模型自由度数；步骤1.4.3：建立理想悬臂叶片有限元模型，以提取理想悬臂叶片的刚度矩阵K^CB和质量矩阵M^CB，CB作为上标表示理论悬臂叶片，并进行模态分析，得到固有圆频率对角阵ω^CB及振型矩阵Φ^CB；再通过以下公式分别计算刚度失谐的模态参与因子和质量失谐的模态参与因子其中K、M作为上标分别表示刚度和质量：式中，ΛCB为理论悬臂叶片固有圆频率平方的对角矩阵；步骤1.4.4：根据如下公式计算失谐叶盘各叶片的刚度失谐量式中，I为单位矩阵，N是叶片总数，T是矩阵运算中的转置；步骤2：根据单位厚度涂层的刚度失谐补偿量和步骤1获得的失谐叶盘刚度失谐量进行失谐修复方案设计，并对方案的修复效果进行数值仿真判定和改进；步骤2.1：通过有限元仿真获得单位厚度涂层的失谐补偿量，是在协调的叶盘上增加不同厚度的涂层，对涂层产生的失谐量进行辨识，得到的辨识结果就是不同厚度涂层的失谐补偿量，然后，再进一步计算单位厚度涂层的补偿量，具体步骤如下：步骤2.1.1：制定涂层叶盘仿真模型的涂层涂敷方案：根据叶盘的结构特点和所选涂层材料的特性来确定涂层的涂敷方式，同时设定仿真模型的涂层单位厚度，然后，确定各个叶片涂层的厚度，并且各叶片上涂层厚度为设定的单位涂层厚度的整倍数厚度；步骤2.1.2：按照步骤2.1.1得到的各叶片的涂层厚度计算每个叶片上涂层的体积根据如下计算公式获得涂层叶盘仿真模型的质量失谐量式(7)中，ρtc为涂层材料的密度，tc作为上标表示有限元模型的涂层；ρyp为叶片基体材料的密度；步骤2.1.3：以失谐叶盘的理论设计尺寸为基体，根据步骤2.1.1的涂层涂敷方案建立该涂层叶盘的有限元模型，并进行模态分析获得该涂层叶盘的固有频率ωbc和振型Xbc，bc作为上标表示有限元模型的涂层叶盘；步骤2.1.4：根据如下计算公式计算涂层叶盘有限元模型的正则坐标向量Pbc；Pbc＝Φ‑1Xbc    (8)步骤2.1.5：根据如下计算公式获得涂层叶盘有限元模型各叶片的刚度失谐量得到不同厚度涂层对应的刚度失谐量，也就是不同厚度涂层对应的刚度补偿量；步骤2.1.6：根据步骤2.1.5的计算结果，进一步计算单位厚度涂层的刚度失谐补偿量；步骤2.2：根据步骤1获得的失谐叶盘刚度失谐量和步骤2.1获得的单位厚度涂层的刚度失谐补偿量进行涂层修复方案初步设计；具体设计过程如下：步骤2.2.1：通过步骤1获得的失谐叶盘刚度失谐量确定补偿基准，并根据补偿基准对其他叶片进行补偿，使得各叶片刚度失谐量相等，从而使得整个叶盘达到一个新的协调状态；步骤2.2.2：根据步骤1获得的失谐叶盘刚度失谐量，步骤2.1获得的单位厚度涂层的刚度失谐补偿量以及步骤2.2.1确定的补偿基准进行初步涂层修复方案设计；步骤2.3：对涂层初步修复方案通过数值仿真进行修复效果判定和改进，具体步骤如下：步骤2.3.1：按照涂层涂敷方案计算每个叶片上涂层的体积根据如下计算公式获得涂敷涂层后的失谐叶盘的质量失谐量其中SX作为上标表示有限元模型的涂层失谐叶盘)：步骤2.3.2：根据步骤1获得的失谐叶盘质量和刚度失谐量以及步骤2.2获得的涂层修复方案建立涂敷涂层后的失谐叶盘有限元模型，并进行模态分析，获得建立涂敷涂层后的失谐叶盘的固有频率ωsx和振型Xsx；步骤2.3.3：根据如下计算公式计算涂敷涂层后的失谐叶盘模型的正则坐标向量Psx；Psx＝Φ‑1Xsx    (11)步骤2.3.4：根据如下计算公式获得涂敷涂层后的失谐叶盘各叶片的刚度失谐量步骤2.3.5：根据步骤2.3.4的计算结果判定的修复效果进行判定，若达标，则完成涂层修复方案设计；若修复效果不达标，则修改涂层方案，并重复进行再次判定和再次方案修改的过程，直到修复方案满足修复要求为止；步骤3：根据步骤2确定的涂层修复方案对实际的失谐叶盘进行涂层修复加工，并对修复效果进行判定，判定结果不达标时需要进行再次改进和二次修复，具体过程如下：步骤3.1：根据步骤2确定的涂层修复方案，采用与涂层材料相对应的涂敷工艺对实际的失谐叶盘进行修复，得到修复后涂层叶盘；步骤3.2：对修复后涂层叶盘进行失谐辨识，根据辨识结果判定是否达到修复标准：判定结果达准，完成修复；若判定结果不达标，则进行再修复处理；具体流程如下：步骤3.2.1：对涂层修复后涂层叶盘的各叶片外形尺寸进行测量得到涂层叶片的体积其中tcyp作为上标表示对实际失谐叶盘进行修复得到的涂层叶盘的涂层叶片，并根据下面公式计算质量失谐量其中xf作为上标表示对实际失谐叶盘进行修复得到的涂层叶盘；步骤3.2.2：对涂层修复后涂层叶盘进行模态测试，获得固有频率ωxf和振型Xxf；步骤2.3.3：根据下面公式计算涂层修复后的涂层叶盘的正则坐标向量Pxf；Pxf＝Φ‑1Xxf    (14)步骤2.3.4：根据下面公式获得涂层修复后的涂层叶盘各叶片的刚度失谐量步骤3.2.5：根据步骤3.2.4的辨识结果对修复效果进行判定，若达标，则完成修复；若不达标，则进行原因判定，制定相应的修改方案并对涂层叶盘进行再次加工处理，并重复再次判定与再改进加工的过程，直到达到修复要求为止。