航空发动机表面管路非接触式振动测试及不确定激励下模态分析研究

The surface tubes like the cardiovascular system of the turbine, which is important for the safety and reliability of the turbine. The vibration is one of major cause of the failure of surface tubes. The contact electro measurement methods are the major technology for the vibration test of surface tubes now. But there are numerous test points for the turbine, which results in the low efficiency and low accuracy. Thus this project proposed a noncontact vibration test technology based on the binocular stereo vision in order to solve the problems for the vibration tests of turbine with unknown excitation properties. This project will systematically investigate the mechanisms of the error sources of the proposed technology and establish the 3D reconstruction method for the complicated vibration with periodic vibration plus random vibration. Because the excitation information is very difficult to detect by noncontact technology, the modal analysis based on transfer function is not available at this situation, which is key for the industrial application. The project will investigate the modal analysis method for the subjects under unknown excitation based on time series displacement information, which will provide the theoretical and experimental support for the development of the proposed test technology.

航空发动机表面管路是航空发动机的“心血管”，与发动机的安全和可靠性直接相关。管路振动是管路故障的重要原因之一。接触式的电测法是当前航空发动机表面管路振动测试的主要手段，而航空发动机表面管路有大量的观测点，这带来了一系列诸如测试效率低，测试精度不高等问题。因此针对航空发动机表面管路振动问题和不确定激励的特点，本课题组基于多相机机器视觉立体成像技术，提出了一种非接触式振动测试技术。本项目将系统地研究非接触式振动测试技术的误差作用机理，探索周期性与随机振动相叠加的复杂振动的高精度三维重建方法。由于非接触机器视觉测量难以获得激励信息，传统的传递函数模态分析法已不适用，因此在不确定激励下进行模态分析的方法，是本技术实现工程应用的关键。本项目还将研究基于时间序列振动位移信息的模态分析模型，为这种测试技术的发展及其在工程实际中的应用提供理论和实验依据。

本项目系统地研究了航空发动机表面管路的振动情况，提出了一种非接触式管路振动测试方法，搭建了航空发动机管路振动测试平台，实现了管路在不确定激励下的三维振动信息获取和模态分析，完成了项目申请时的研究设想。具体工作包括：（1）研究识别运行状态下发动机的三维振动信息的方法，提出了一种非接触式的基于立体视觉测量三维振动的视频测量方法。设计了一种折反射式平面复眼，实现了96.6度的大视场测试。（2）为实现多相机系统全场测量航空发动机的表面振动，设计了一种基于多面立体靶标的多相机系统的标定方法，只需多相机系统中每个相机同时拍摄一幅标定靶标的图像即可标定出多个相机的内外参数。（3）基于时间序列图像目标对应的理论模型，系统研究了振动参数对视觉测试系统标定参数影响的规律。建立了非线性折射率空气介质高温分量的成像测量模型，分析了在高温环境下的视觉测试误差作用机理，为高温环境下的视觉测试误差补偿提供了理论模型。（4）基于时间序列图像，利用形态学操作，实现了只需要一幅阶梯光栅的高速三维信息重建方法。该方法能大大减少测量光栅的数量并且保持高鲁棒性和高精度的性质，为航空发动机的动态测试提供一种新的应用技术。（5）提出了一种模态学习的全场动应力视觉测试新方法。该方法利用视觉测试的位移信息，通过振动模态函数为桥梁，结合机器学习算法，获得了位移-应变转换矩阵，实现了简单结构下的全场动应力测试。该方法利用视频信息，能够实现运行状态下航空发动机表面应力的全场非接触测试。本项目圆满达到了申请时的设计目标，超额完成了申请时的项目指标，探索了航空发动机表面振动测试新方法，实现了三维振动信息的高精度重建，为航空发动机的管路在线监测提供了理论基础和技术积累。