基于飞参的发动机转速小循环去除方法研究_夏毅锐.pdf

2 0 2 3年第9期基于飞参的发动机转速小循环去除方法研究夏毅锐1,孙云飞2,戴京涛1(1.海军航空大学青岛校区,山东 青岛 2 6 6 1 0 0;2.9 1 4 6 8部队,加来 5 7 1 8 0 0)摘 要:针对E G D-3理论无法对循环寿命在1 06以上的小循环进行有效区分的情况,研究不同去除小循环的方法来降低无效循环对损伤及寿命预测的影响,分析了按应力标准、按转速幅值、按等效疲劳强度方法和小波降噪思想去除小循环的优缺点。分析表明,疲劳强度极限去除小循环的方法较为合理,按照小波降噪方法更贴合实际问题。关键词:飞行参数;航空发动机;转速;小循环去除 中图分类号:V 2 3 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 9-0 0 3 0-0 3M i n o rC y c l eR e m o v a l o fA e r o e n g i n eR o t a t eS p e e dB a s e do nF l i g h tD a t aX i aY i-r u i1,S u nY u n-f e i2,D a i J i n g-t a o1(1.Q i n g d a oC a m p u so fN a v a lA v i a t i o nU n i v e r s i t y,Q i n g D a o2 6 6 1 0 0;2.N a v a l 9 1 4 6 8,J i a L a i 5 7 1 8 0 0)A b s t r a c t:E G D-3m e t h o dc a n n o t e f f e c t i v e l yd i s t i n g u i s hb e t w e e nt h e s m a l l c y c l e l i f e i nm o r e t h a n1 06,t h e nd i f f e r e n tm e t h o d s t o r e m o v e s m a l l c y c l ew a su s e d t or e d u c e t h ee f f e c t so f i n e f f e c t i v e c y c l eo f d a m a g e a n d l i f ep r e d i c t i o n.C o m p a r e dt h ea d v a n t a g e a n dd i s a n v a n t a g e o f t h e r e m o v a lm e t h o d s o f s t r e s s l e v e l,a m p l i t u d e o f r o t a t e s p e e d,e q u i v a l e n t e x t r a c t i o na n dt h ew a v e l e t d e-n o i s i n g,p u t f o r w a r d t h a t t h em e t h o db a s e d t h e e q u i v a l e n t e x t r a c t i o n t o r e m o v em i n o r c y c l e i sm o r e r e a s o n-a b l e a n d t h em e t h o db a s e d t h ew a v e l e td e-n o i s i n gh a sm o r ep r a c t i c a l i m p l i c a t i o n s.K e yw o r d s:F l i g h tD a t a;A e r o e n g i n e;R o t a t es p e e d;M i n o rc y c l er e m o v a l作者简介:夏毅锐(1 9 7 3),男,汉族,山东沂南人,副教授,硕士,研究方向:航空发动机结构强度、疲劳寿命。随着技术的发展,飞参的采样频率有了较大提高,这使发动机使用状况可以更加详实的被记录,但是采样频率的提高也使得飞参记录了大量的小幅值循环,其中相当一部分循环对发动机造成的损伤影响不大,可以忽略,并且对于循环寿命在1 06以上的循环,E G D-3方法1无法有效区分,全部按照1 06标准计算过于保守,故需要对这部分循环按照一定方法去除来减小其对寿命计算的影响。本文将在按应力标准、按转速幅值、按等效疲劳强度去除小循环方法分析对比的基础上,提出小波降噪方法来去除小循环。1 按应力标准去除小循环宋兆泓提出2,可按照一定的应力标准来去除部分较小的次循环,并认为当循环应力峰值im a x0.3b时(b为材料的拉伸极限),循环对材料造成的疲劳损伤极小,可以对其忽略,在此之后还有研究提出将循环应力峰值im a x0.0 3b的循环去掉3。按照0.3b和0.0 3b标准进行小循环去除并按照E G D-3理论计算某发动机损伤及寿命,计算结果如表1:表1 按应力标准去除小循环对比循环寿命1 031 03-1 041 04-1 051 05-1 061 06总损伤未处理22 74 31 05 0 6 5 60.0 6 4 1 2 30.0 0 20.0 0 9 8 7 20.0 0 1 5 6 60.0 0 0 0 30.0 5 0 6 5 6按0.3去除22 74 31 05 0 5 2 10.0 6 3 9 8 80.0 0 20.0 0 9 8 7 20.0 0 1 5 6 60.0 0 0 0 30.0 5 0 5 2 1按0.0 3去除22 74 31 05 0 3 4 20.0 6 3 8 0 90.0 0 20.0 0 9 8 7 20.0 0 1 5 6 60.0 0 0 0 30.0 5 0 3 4 2 表1中可以看出,这两种方法对损伤结果影响不大。经分析,0.3b对应的应力标准为3 8 2.5MP a,依据该标准相当于去除循环峰值低于6 3%的循环,而根据此次任务飞参数据,转速低于6 3%的飞行时间仅占飞行总时间的5.8 4%,所去除循环数目3 2 4个仅占循环寿命为N=1 06循环的0.6 4%,去 除 循 环 造 成 的 总 损 伤 仅 为0.0 0 3 1;0.0 3b对应的应力标准为3 8.2 5MP a,依据该标准相当于去除了循环峰值低于2 0%的循环,而转速低于2 0%的飞行时间占飞行总时间的1.3 6%,所去除循环数目1 3 5个仅占循环寿命为1 06循环的0.2 6%,该类循环造成的总损伤仅为0.0 0 1 3。可见基于应力标准的小循环去除方法只考虑了低转速情况小循环的影响,未考虑较高转速情况的影响,发动机超过9 0%的时间在慢车转速(6 5%)以上工作,现代飞参记录系统记录了大量的低幅值、高均值的循环,故这两种标准对小循环的去除意义不大。2 按转速幅值去除小循环对转速幅值设置阈值进行去除是最常用、最简单的一种方法,即设置一定的变程门槛值S,幅值小于该阈值的循环全部剔除,其定义为:S=(nm a x-nm i n)%(1)式中,nm a x,nm i n分别为载荷参数的最大值和最小值,在这里,nm a x,nm i n分别取1 0 0%和0,为变程门槛精度,不同文献提出的去除标准有所不同,苏清友4提出了门槛值为81 2.5%NH,雷晓波5等提出门槛为1%,本文从0.18%NH设置一系列门槛值分别对载荷循环进行处理,去03DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.09.015内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n除小循环后的损伤及寿命如表2所示:表2 按不同门槛值去除小循环对比表循环去除门槛值去除后1 06循环总数总损伤寿命0.0 05 0 6 5 60.0 6 4 1 2 31 9 9.5 90.1 0%4 1 2 6 60.0 5 4 7 3 22 3 3.8 30.2 0%3 2 6 6 70.0 4 6 1 3 32 7 7.4 20.3 0%2 6 0 6 00.0 3 9 5 2 63 2 3.7 90.4 0%2 0 7 9 80.0 3 4 2 6 43 7 3.5 10.5 0%1 6 8 6 90.0 3 0 3 3 54 2 1.8 90.6 0%1 3 8 7 90.0 2 7 3 4 54 6 8.0 20.7 0%1 1 6 8 10.0 2 5 1 4 75 0 8.9 30.8 0%9 9 3 20.0 2 3 3 9 85 4 6.9 80.9 0%8 5 5 20.0 2 2 0 1 85 8 1.2 61.0 0%7 4 6 00.0 2 0 9 2 66 1 1.5 91.5 0%3 9 8 90.0 1 7 4 5 67 3 3.1 52.0 0%2 4 2 50.0 1 5 8 9 28 0 5.3 12.5 0%1 6 0 90.0 1 5 0 7 68 4 8.8 93.0 0%1 2 4 10.0 1 4 7 0 88 7 0.1 34.0 0%8 7 40.0 1 4 3 4 18 9 2.4 05.0 0%6 4 00.0 1 4 1 0 79 0 7.2 06.0 0%4 7 70.0 1 3 9 4 49 1 7.8 18.0 0%2 8 70.0 1 3 7 5 49 3 0.4 8图1 不同门槛值去除小循环后损伤及循环数目变化趋势 循环寿命为N=1 06的循环和总损伤随去除门槛值变化的趋势如图1所示,随着变程门槛值的不断增大,循环数目和总损伤在不断减小,在门槛值为00.6%这个范围内,循环数和总损伤随着门槛值的增大下降幅度较大,在0.6%之后,下降趋势明显放缓,在门槛值为3%以后,循环数目和总损伤的变化已经很小,到门槛值为8%时,已经去掉了9 9.5%的小循环。若将门槛值设为81 2.5%,会去掉9 9.5%以上的小循环,几乎去掉了所有小循环,并且该阈值下所有谷值在9 0%以上的小循环全部去掉,而在实际情况中循环峰谷值在9 0%以上幅值在8%以上的高均值载荷循环对发动机涡轮叶片造成的损伤较大,是不可忽略的,故门槛值设为81 2.5%不太合理。若置门槛值为1%,共去除4 3 1 9 4个循环,占小循环总数的8 5.2 7%,共造成损伤0.0 4 3 1 9 4,占总损伤的6 7.3 6%,以这种门槛值去除循环后小循环数目及损伤均有明显的下降,达到了对小循环去除的目的,同时对小循环有所保留,方法较为简单,可以作为参考。但以转速幅值这种方法无论选取那一种阈值都无法对高低均值循环进行有效区分,同样幅值下高均值循环明显会比低均值循环造成的损伤大,这种方法没有考虑到高低均值循环的实际应力水平。3 按对称疲劳强度极限去除小循环由于E G D-3疲劳寿命损伤理论将循环寿命大于N=1 06的循环全部认为其循环寿命为1 06,循环寿命N=1 06对应的对称疲劳强度极限为4 5 5.4MP a,即将所有等效对称疲劳值低于4 5 5.4MP a的循环全部认为循环寿命为N=1 06,而对这些循环的实际应力统计如表3所示,大量的循环等效应力水平较低,例如对称疲劳应力值在5 0MP a以下的循环有4 7 0 9 3个,占小循环总数9 2.9 7%,这些循环的循环寿命远远超过1 06,造成的损伤极低。对于S-N曲线来说,当交变应力造成的损伤低于一定极限值时,则可认为该应力对构件不造成疲劳破坏。在此找出一个合理的对称疲劳强度极限值认为该阈值下的循环造成的损伤可以忽略1。表3 循环寿命大于1 06循环分布情况疲劳应力4 0 0以上3 5 0-4 0 03 0 0-3 5 02 5 0-3 0 02 0 0-2 5 01 8 0-2 0 01 6 0-1 8 0循环数92 46 51 1 21 9 61 1 81 5 6疲劳应力1 4 0-1 6 01 2 0-1 4 01 0 0-1 2 08 0-1 0 05 0-8 05 0-3 03 0以下循环数1 9 02 7 33 6 45 5 01 5 0 62 9 4 14 4 1 5 2图2 循环去除数目随疲劳极限阈值的变化曲线 从4 5 0MP a到0间隔0.4 5MP a取1 0 0 0个点做出这1 0 0 0个对称疲劳强度极限与该极限值下去除循环数目的曲线图,如图2所示,求取该曲线上各点对应位置的曲率,最大曲率位置标记在图2中,认为在该位置作为循环数量随阈值减小变化趋势由慢变快的一个转折点,在该点以后,循环数目会随着对称疲劳强度极限的下降急剧下降,该点所对应的对称疲劳极限值为3 1.9 5MP a,认为低于该应力水平的载荷对构件造成的损伤极低,基本可以忽略。对称疲劳应力小于3 1.9 5MP a的循环共有4 4 6 4 0,占小循环总数的8 7.9 8%。设3 1.9 5MP a为等效疲劳强度极限阈值,以此阈值去除循环可以减小损伤0.0 4 4 6 0,占总损伤0.0 6 4 1 2 3的6 9.5 5%。对表4中部分循环分析可知,高均值低幅值的循环有较高的应力水平,若按照转速幅值“一刀切”的方法会去除较多幅值低但应力水平较高的循环,相比之下,按照疲劳强度极限去除小循环的方法考虑了基于E G D-3方法的等效疲劳应力水平,能够较为直观的反应小循环造成的真实载荷情况,具有较强的针对性,在此认为这种方法去除循环较为合理,适用于该发动机载荷谱的小循环处理,处理后的损伤及寿命如表5所示。132 0 2 3年第9期表4 部分循环应力状况转速循环9 9-1 0 09 5-9 69 0-9 17 0-7 56 5-7 05 0-5 5等效应力MP a1 2 7.8 96 6.5 94 3.7 57 6.5 26 3.1 73 6.8 4表5 按对称疲劳强度极限去除小循环后的损伤及寿命1 031 03-1 041 04-1 051 05-1 061 06总损伤寿命22 74 31 06 0 1 60.0 1 9 4 86 5 6.8 h0.0 0 2 0 00.0 0 9 8 70.0 0 1 5 70.0 0 0 0 30.0 0 6 0 24 利用小波变换降噪原理去除无效循环飞参系统各通道在记录参数时往往受到噪声等因素干扰的影响,这使得飞参波形中存在杂波,在高压转速中,由于噪声等杂波的存在,造成了大量连续且幅值很小的循环,如图3所示,这类循环不是由于发动机的真实工作所产生,且对寿命影响较大,故在此可以考虑采用降噪的方法来对飞参记录信号进行处理。图3 高压转速局部原始信号基于小波变换的信号降噪过程分为信号基于小波基的分解、小波分解高频系数的阈值量化和小波重构三个步骤。在对该发动机高压转速降噪处理过程中,认为干扰杂波为自然界普遍存在的高斯白噪声,具体处理步骤如下。(1)小波基的选择选用常用小波函数s y m 4,该函数具有较好的对称性和相似性,实践表明更容易分离出噪声等干扰信号;分解层数选择4层,保证既可以较好的区分信号和噪声特性,同时可以减小重构信号的失真。(2)阈值的选取是降噪过程的关键,直接影响到信号消噪的质量。信号通过高通滤波器留下高频分量,有效信号在高频域中能量谱相对集中,小波系数模值大,而高斯白噪声在高频域中表现出很强的随机性,能量谱相对分散,小波系数绝对值较小2 4,在这里采用MA T L A B小波工具箱中的默认去噪函数,根据方差最小原则分层选取阈值来进行降噪处理。(3)根据小波分解去噪后的各层系数进行一维小波重构。部分原始信号和降噪处理后的信号图像如图4所示,可以看出,利用以上方法降噪处理有效的降低了因为高斯白噪声引起的小幅抖动,并且很好的保留了原信号的细节部分,具有较好的平滑性和相似性。图4 小波降噪仿真图对降噪结果统计分析,降噪处理后的循环总数共有8 6 8 0个,相比处理前循环总数下降8 3.6%,1 06以下循环数目共7 7个,造成损伤0.0 1 3 4 4 3,对比处理前1 06以下的8 2个循环造成的损伤0.0 1 3 4 6 8下降0.1 8 6%,1 06以上循环数目由5 0 6 5 6下降到8 6 0 3,下降8 3.0 1%,统计结果可以看出,降噪后的小循环数量明显减少,有效降低了由于噪声干扰引起的无效循环对寿命的影响,见表6。表6 降噪前后循环数目及损伤寿命对比处理方式1 031 03-1 041 04-1 051 05-1 061 06总损伤寿命降噪前22 74 31 05 0 6 5 60.0 6 4 1 2 31 9 9.6 h0.0 0 20.0 0 9 8 6 90.0 0 1 5 6 80.0 0 0 0 2 9 60.0 5 0 6 5 6降噪后22 73 998 6 0 30.0 2 2 0 4 65 8 0.5 h0.0 0 20.0 0 9 90.0 0 1 4 8 80.0 0 0 0 5 50.0 0 8 6 0 35 小结本文通过分析4种方法进行小循环的去除,其中基于应力标准的小循环去除方法只能够处理部分低均值循环,对9 5%以上的小循环无法处理,这种方法去除意义不大,不太适用现代飞参记录的载荷数据;基于转速的幅值标准去除小循环的能够有效降低小循环对总损伤值的影响,方法简单,实际操作方便,有一定参考意义,但去除标准因对象存在差异,且对高低均值循环无明显区分;利用对称疲劳强度极限的方法去除小循环既能有效降低小循环造成的损伤,又以等效疲劳极限值为参考,具有明显的物理意义;用小波变换降噪方法能够有效减小由于噪声造成的无效循环,使飞参数据更能反映实际工作状况,实际意义明显。参考文献:1 夏毅锐,徐可君,王永旗.基于某型航空发动机飞行参数的涡轮转子叶片疲劳持久寿命分析J.应用力学学报,2 0 1 1,(0 2):7 7-8 4.2 宋兆泓.发动机寿命研究M.北京:航空工业出版社,1 9 8 7:3 5-3 7.3 何景兰.航空发动机实时寿命监控及数据处理方法研究J.航空动力学报,1 9 9 6,(0 4):1 0-3 6+1 9.4 苏清友.航空涡喷、涡扇发动机主要零部件定寿指南M.北京:航空工业出版社,2 0 0 4:5 3.5 雷晓波.航空发动机载荷谱计算方法研究J.航空计算技术,2 0 1 6,4 6(0 1);8 5-8 9.23