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直升机桨叶阵列式压电模态传感器的故障诊断

传感技术学报 2023年第5期36卷 686-691页

作者：王渊德毛崎波黄仕卓赵迪南昌航空大学飞行器工程学院江西南昌330063 中国航发贵州红林航空动力控制科技有限公司贵州贵阳571923

提出了一种基于加权系数的直升机桨叶阵列式压电模态传感器的故障诊断方法。以直升机桨叶为例,以圆形锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)作为压电传感单元。将实验曲率模态作为加权系数设计阵列式压电模态传感器,对PZT在使用过程中易出现的破损和脱... 详细信息

提出了一种基于加权系数的直升机桨叶阵列式压电模态传感器的故障诊断方法。以直升机桨叶为例,以圆形锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)作为压电传感单元。将实验曲率模态作为加权系数设计阵列式压电模态传感器,对PZT在使用过程中易出现的破损和脱层故障进行了实验研究。实验结果表明,基于加权系数的阵列式压电模态传感器的故障诊断方法能对压电阵列中的损伤单元进行准确定位,且其诊断结果具有很高的置信度;所提出的损伤因子可在一定损伤范围内作为损伤程度的指示参数。

关键词：故障诊断模态传感器 PZT 直升机桨叶

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基于光纤光栅的直升机桨叶载荷测试技术研究

光电子．激光 2019年第12期30卷 1280-1285页

作者：梁磊朱振华王慧易铮徐刚武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室湖北武汉430070 湖北工程学院机械工程学院湖北孝感432000

为了满足直升机桨叶载荷测试的应用需求,提出并研究了一种基于光纤光栅传感器的桨叶载荷测试方法。首先,根据桨叶模型的相关力学理论,推导出基于光纤光栅的桨叶载荷解耦方程;其次,根据解耦方程进行载荷解耦;随后,对桨叶进行静态标定实验... 详细信息

为了满足直升机桨叶载荷测试的应用需求,提出并研究了一种基于光纤光栅传感器的桨叶载荷测试方法。首先,根据桨叶模型的相关力学理论,推导出基于光纤光栅的桨叶载荷解耦方程;其次,根据解耦方程进行载荷解耦;随后,对桨叶进行静态标定实验,得出弯矩与光纤光栅中心波长变化量的之间的关系;最后,将标定的结果应用于直升机桨叶的载荷测试中,并与应变片测试结果进行对比。实验结果表明,光纤光栅测量出的弯矩曲线的周期性、规律性、量级与应变片测量结果基本一致,其曲线的相关系数0.96附近及以上,对比结果相互佐证了将光纤光栅应用于直升机桨叶载荷测试的可行性。

关键词：直升机桨叶光纤光栅载荷解耦剖面弯矩测试

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直升机桨叶冲蚀磨损特性研究

直升机桨叶冲蚀磨损特性研究

作者：白旭鹏吉林大学

学位级别：硕士

由固体颗粒冲击引起的冲蚀磨损,会明显造成零部件的材料损失并降低其工作性能和使用寿命。本文针对航空领域在恶劣工况下执行特殊任务的直升机展开其桨叶冲蚀磨损的研究。在典型的沙尘工况下,直升机的主旋翼桨叶受到大量沙尘颗粒的冲击... 详细信息

由固体颗粒冲击引起的冲蚀磨损,会明显造成零部件的材料损失并降低其工作性能和使用寿命。本文针对航空领域在恶劣工况下执行特殊任务的直升机展开其桨叶冲蚀磨损的研究。在典型的沙尘工况下,直升机的主旋翼桨叶受到大量沙尘颗粒的冲击,引起的桨叶损伤明显影响到直升机的飞行性能。因此,深入研究直升机桨叶受沙尘颗粒冲蚀的机理和冲蚀区域,优选桨叶材料,增加桨叶的抗冲蚀能力对直升机自身飞行品质的提升具有重要意义。本文应用计算流体力学软件Ansys-Fluent进行了气固两相流下不同的颗粒冲击速度和入射角对三种常用直升机桨叶材料(Ti-4Al-1.5Mn,Mg-Li9-A3-Zn3,Al7075-T6)的冲蚀分析,得出三种材料的冲蚀率。结果表明Ti-4Al-1.5Mn桨叶比Al7075-T6和Mg-Li9-A3-Zn3桨叶具有更佳的抗冲蚀性。对比仿真数据,得出三种材料桨叶的冲蚀速率均随颗粒撞击速度的增加而明显增加,而小入射角冲击对三种材料桨叶的冲蚀率无明显改变。进而开展基于沙漠蝎子仿生层的桨叶冲蚀研究,得出具有V型仿生层的桨叶比具有VC型仿生层的桨叶表现出更好的抗冲蚀性。本文建立直升机实际桨叶全尺寸模型,运用Ansys-Fluent中的滑移网格模拟了旋转过程中的桨叶受颗粒冲蚀情况,对不同颗粒质量流量(0.5,1.0或1.5 kg/s)及不同颗粒直径(100μm,500μm和1000μm)条件下桨叶不同旋转速度(500,1000和2000 rpm)时受冲蚀情况进行了数值研究。得出桨叶受冲蚀严重区域主要发生在桨叶的前缘处,且桨叶冲蚀区域随着桨叶转速的增加而明显增加。随着颗粒质量流量的增加,桨叶的受蚀率显著增加,但随着桨叶转速的增加,最大受冲蚀率呈降低趋势;在相同桨叶转速下,随着颗粒直径的增加,桨叶受到的最大冲蚀率同样降低,这说明小直径的颗粒更容易冲击到直升机桨叶。搭建风沙颗粒冲击试验台,进行了上述三种材料包覆的桨叶颗粒冲蚀磨损实验研究,并计算出三种材料的平均受冲蚀速率,验证了钛合金材料桨叶的抗冲蚀性确实优于另外两种材料抗冲蚀性,且对三种材料桨叶表面受冲蚀磨损情况利用德国蔡司公司(ZEISS)的钨灯丝扫描电镜EVO18型进行宏微观形貌分析,得出三种材料在颗粒低速撞击时,材料表面有明显的粒子切割及犁沟划痕,而提升颗粒冲击速度后则材料主要受到挤压变形。三种材料均经历了磨粒磨损,剥落磨损及氧化磨损等冲蚀磨损过程,可得出直升机桨叶冲蚀磨损中多个冲蚀磨损机理同时存在。

关键词：直升机桨叶冲蚀磨损计算流体力学冲蚀试验宏微观形貌分析

直升机桨叶弯矩测量与损伤辨识分布式光纤监测技术

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直升机桨叶弯矩测量与损伤辨识分布式光纤监测技术

作者：胡子康南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着直升机不断向高速度,高航程以及飞行模式多元化方向发展,旋转桨叶作为直升机飞行过程中主要承力结构,直接影响着直升机的整体性能。桨叶结构受到交变载荷作用产生较大挥舞/摆振弯矩时,易引起全机振动与结构损伤,进而降低飞行品质与... 详细信息

随着直升机不断向高速度,高航程以及飞行模式多元化方向发展,旋转桨叶作为直升机飞行过程中主要承力结构,直接影响着直升机的整体性能。桨叶结构受到交变载荷作用产生较大挥舞/摆振弯矩时,易引起全机振动与结构损伤,进而降低飞行品质与安全性。因此,本文开展了基于光纤Bragg光栅传感器的桨叶弯矩实时监测方法和损伤辨识技术研究,为新型号直升机桨叶结构参数优化设计、疲劳定寿及损伤实时监测提供技术支撑。本文主要工作内容如下:首先,以直升机桨叶结构为对象,研究了基于光纤Bragg光栅传感器的挥舞/摆振弯矩解耦与标定方法。一方面,给出了基于桨叶预扭角测量和应变差值计算的挥舞弯矩解耦方法。另一方面,针对摆振解耦中的温度耦合问题,给出了基于光纤Bragg光栅传感器桥路组合的摆振弯矩解耦方法。建立了桨叶结构简化模型,基于有限元仿真数据,验证了两种解耦方法的可行性。其次,构建了基于光纤Bragg光栅传感器的直升机桨叶挥舞/摆振弯矩解耦与标定试验系统。设计了地面分级加载试验完成桨叶弯矩的解耦标定,得到挥舞/摆振弯矩与光纤Bragg光栅传感器特征波长偏移量之间的标定方程。在此基础上,开展了直升机桨叶不同动态旋转工况下的弯矩实时测量试验,通过与传统应变片测量结果对比,验证了基于光纤Bragg光栅传感器的挥舞/摆振弯矩实时测量方法的有效性。再次,研究了基于应变模态分析的直升机桨叶结构裂纹损伤辨识方法。借助有限元数值仿真,获取了桨叶结构无损伤与损伤状态下的应变模态振型。在此基础上,提出了基于应变模态振型计算的桨叶结构损伤识别指标,并依据数值仿真结果验证了该方法的适用性。最后,构建了基于光纤Bragg光栅传感器的直升机桨叶结构应变模态测量系统,开展了不同损伤工况下桨叶结构应变模态振型测试。在此基础上,计算得到基于应变模态的桨叶裂纹损伤识别指标,验证了该指标能够较好的实现桨叶裂纹损伤辨识。

关键词：直升机桨叶光纤Bragg光栅传感器挥舞弯矩摆振弯矩应变模态损伤辨识

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基于悬臂梁位移模型的直升机桨叶损伤检测

机械强度 2009年第6期31卷 967-971页

作者：朱旭程侯志强海军航空工程学院飞行器工程系烟台264001

从悬臂梁位移模型出发,建立桨叶结构损伤检测的位移残差范数准则,通过桨叶实测位移残差的范数分析结构是否存在局部裂纹损伤,研究一种基于悬臂梁位移模型的桨叶结构损伤检测方法。桨叶结构损伤用裂纹大小或刚度下降等参数指标表示。采... 详细信息

从悬臂梁位移模型出发,建立桨叶结构损伤检测的位移残差范数准则,通过桨叶实测位移残差的范数分析结构是否存在局部裂纹损伤,研究一种基于悬臂梁位移模型的桨叶结构损伤检测方法。桨叶结构损伤用裂纹大小或刚度下降等参数指标表示。采用能量方法分析裂纹对梁元弯曲刚度的影响,建立裂纹梁有限元模型,根据桨叶有限元模型构造一种节点力残差向量,利用该力残差向量可确定损伤位置和损伤程度。最后,通过实例验证方法的可行性和有效性。

关键词：直升机桨叶损伤检测悬臂梁有限元节点力残差

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直升机桨叶变形摄像测量技术研究

直升机桨叶变形摄像测量技术研究

作者：刘荣明南京航空航天大学

学位级别：硕士

摄像测量具有简单、无损、非接触、实时分析与控制等优点，在科学研究和工程实际领域得到了广泛的应用。鉴于此，本文以摄像测量桨叶变形为研究背景，系统地开展摄像测量桨叶变形方法的研究，构建简单适用的三维变形测量系统。本文首先... 详细信息

摄像测量具有简单、无损、非接触、实时分析与控制等优点，在科学研究和工程实际领域得到了广泛的应用。鉴于此，本文以摄像测量桨叶变形为研究背景，系统地开展摄像测量桨叶变形方法的研究，构建简单适用的三维变形测量系统。本文首先以相机成像模型为理论基础，结合张正友标定法，开发圆心模板标定程序。利用单相机测量二维平面内的变形，分析相机品质、相机标定方法和相机视场大小对测量精度的影响。其次根据数字图像相关方法的原理，确定位移模式、相关函数、搜索方法和亚像素估计方法。针对以往Newton-Raphson算法初值估计耗时长的不足，提出基于Harris角点检测匹配的初值估计方法，优化Newton-Raphson算法中插值方法，通过仿真试验验证新初值估计方法和插值方法的计算速度和效率。并利用本文的数字图像相关方法对铝试件拉伸变形和铝材泊松比进行测量。再次，对双目测量系统的标定方法进行研究，根据双目摄像测量原理，利用图像中特征点匹配进行三维重建，获得特征点空间位移。通过对平移位移和等强度梁弯曲变形测量的试验，比较基于标志点双目摄像测量和三维数字图像相关方法的测量精度。最后分析测量旋转叶片变形的双目摄像测量系统硬件的参数要求，建立简单的测量系统，并对静态桨叶弯扭变形和旋转风扇叶片变形进行测量，验证该系统的可靠性。

关键词：人工标志点数字图像相关方法相机标定直升机桨叶变形测量

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直升机桨叶形态光纤监测与重建方法研究

强度与环境 2023年第2期50卷 54-59页

作者：吴亚星曾捷岳应萍徐云涛王云嵩杨宇孙阳阳骆梦醒南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室南京210016 中国飞机强度研究所全尺寸飞机结构静力/疲劳航空科技重点实验室西安710065 陆军工程大学国防工程学院南京210007

针对新研制直升机不同任务模式,实现飞行过程中桨叶形态变化的实时监测与精确调控,对于提升飞行品质与保障飞行安全至关重要。为此,提出了一种基于坐标变换理论与光纤应变感知信息的直升机桨叶形态监测与重建方法,并给出了相应光纤Brag... 详细信息

针对新研制直升机不同任务模式,实现飞行过程中桨叶形态变化的实时监测与精确调控,对于提升飞行品质与保障飞行安全至关重要。为此,提出了一种基于坐标变换理论与光纤应变感知信息的直升机桨叶形态监测与重建方法,并给出了相应光纤Bragg光栅传感器布局形式。建立了NACA2412桨叶构型有限元模型,根据数值仿真结果,验证了坐标变换理论形态重建效果。在此基础上,构建了基于光纤传感器的直升机桨叶动、静态变形监测与形态重建系统。桨叶整体形态重建均方根平均误差为0.370,桨叶桨尖位移静态变形辨识平均相对误差约为5.754%,动态变形辨识平均相对误差约为7.908%。研究表明,本文所提方法能够为未来智能旋翼形态自适应精确调控提供技术支撑。

关键词：坐标变换理论直升机桨叶光纤Bragg光栅传感器

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直升机桨叶图像中圆形标记点的识别方法

中国体视学与图像分析 2021年第4期26卷 428-434页

作者：张育斌熊邦书陈垚锋程起有中国直升机设计研究所直升机旋翼动力学重点实验室江西333001 南昌航空大学江西省图像处理与模式识别重点实验室南昌330063

针对目前直升机桨叶图像中圆形标记点检测和识别难的问题,本文结合桨叶圆形标记点排布规律,提出了一种快速检测算法。首先,采用CLAHE和中值滤波对图像进行预处理,增大图像对比度和信噪比;然后,根据圆的几何性质对封闭边缘进行初步筛选,... 详细信息

针对目前直升机桨叶图像中圆形标记点检测和识别难的问题,本文结合桨叶圆形标记点排布规律,提出了一种快速检测算法。首先,采用CLAHE和中值滤波对图像进行预处理,增大图像对比度和信噪比;然后,根据圆的几何性质对封闭边缘进行初步筛选,获取图像中所有类圆轮廓;最后,依据桨叶上粘贴的圆形标记点呈阵列结构排布规律,滤除背景中的干扰,获得桨叶标记点圆心。通过对多幅桨叶图像中圆形标记点进行检测和识别,验证了该方法具有自适应能力强、速度快、精度高的优点,已用于直升机高速旋转桨叶运动轨迹和形变的高精度视觉测量。

关键词：直升机桨叶低曝光图像圆形标记点阵列结构

基于双目立体视觉的直升机桨叶剖面刚度测量技术研究

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基于双目立体视觉的直升机桨叶剖面刚度测量技术研究

作者：马响南京航空航天大学

学位级别：硕士

桨叶作为直升机的关键组成部件,在工作状态下承受着复杂的载荷。桨叶各剖面的扭转刚度、挥舞刚度和摆振刚度直接影响旋翼系统的结构动力学特性。目前,用于检测直升机桨叶剖面刚度,特别是扭转刚度的方法精度与可靠性较低。为此,本文综合... 详细信息

桨叶作为直升机的关键组成部件,在工作状态下承受着复杂的载荷。桨叶各剖面的扭转刚度、挥舞刚度和摆振刚度直接影响旋翼系统的结构动力学特性。目前,用于检测直升机桨叶剖面刚度,特别是扭转刚度的方法精度与可靠性较低。为此,本文综合运用计算机视觉、图像处理、材料力学等基础理论,研究一种基于双目立体视觉的桨叶剖面刚度测量方法。通过在待测剖面夹持标尺或划十字线,保持双目相机位姿不变,在桨叶承受已知载荷而发生变形前后各拍摄一组图像,通过图像处理、图像匹配和三维重建等技术计算出剖面两侧的相对变形,进而计算该剖面的扭转刚度、挥舞刚度和摆振刚度。本文深入研究了基于双目立体视觉的直升机桨叶剖面刚度测量方法的各项关键技术,主要研究内容和创新点包括:①提出了基于双目立体视觉的桨叶剖面刚度测量整体方案。包括桨叶的装夹方案、加载方案和变形测量方案。深入分析了直升机桨叶的变形形式和内部结构,设计了固支夹具、加载夹具以及加载形式,并针对桨叶变形过程中桨叶剖面是否保持刚性,提出了两套测量变形的方案。②在深入研究双目立体视觉理论的基础上,实现了双目立体测量系统的关键技术,包括双目相机的标定、图像匹配、三角法重建等技术,并提出了圆形标记点和十字划线的图像提取方法。③深入分析了直升机桨叶的扭转变形、挥舞变形和摆振变形,结合具体实际问题,提出了适用于直升机桨叶的扭转模型和挠曲线示意图,并推导出扭转刚度、挥舞刚度和摆振刚度的计算方法。④在理论和算法研究的基础上,自主开发了基于双目立体视觉的直升机桨叶剖面刚度测量系统BIM S?B(Binocular Stereo Measurement System-Blade),并通过实验对系统的各方面性能进行了验证,对测量结果进行了统计,分析了可能产生误差的原因。测量实验结果显示,基于双目立体视觉的剖面挥舞及摆振刚度的重复测量精度较低,目前尚难以取代应变片测量方法进行剖面挥舞刚度和剖面摆振刚度测量。而基于双目立体视觉对剖面扭转刚度进行测量的重复精度较高,载荷与变形之间也表现出良好的线性关系,因此基于双目立体视觉进行桨叶剖面刚度测量有望作为一种新的有效方法替代现有的激光三角测距的桨叶剖面刚度测量方法。

关键词：直升机桨叶剖面刚度测量方案双目立体视觉相机标定特征识别