一种利用涂层修复失谐叶盘的方法与流程

本发明涉及失谐叶盘修复技术领域，特别涉及一种利用涂层修复失谐叶盘的方法。

背景技术

叶盘作为航空发动机的重要核心部件之一，其质量优劣直接决定了航空发动机的性能与寿命。通常叶盘有榫接叶盘和整体叶盘两种类型。理论上，叶盘应为周期对称结构，但由于材质特性不均、制造加工误差、装配误差、使用过程中的随机磨损以及人为设计等因素，实际每个扇区间不可避免的会存在小量的差别，这些小量的差别称之为失谐，这些失谐使得各扇区在动力学特性上产生差异。特别是叶片，对于失谐的敏感性很高，即使是小量的失谐，也会使得个别叶片的振动成倍加剧，产生高循环疲劳破坏。因此，科学地判定失谐程度和合理的设计修复方案，对于失谐叶盘性能的提高具有重要的意义。

目前，对于失谐叶盘已经设计了一些修复方法，但依旧存在一些问题。专利cn200610057921.7，专利cn201710371309.5，专利cn201510289304.9主要是针对叶盘的表面缺陷和基体破损部位，采用焊接材料、激光熔覆、激光3d打印等技术进行叶盘结构重建，再进行二次修形加工，达到修复目的。而对于航空发动机叶盘往往采用的是钛合金材料，这种材料的硬度较高，加之叶盘加工精度要求苛刻，大大提升了机械加工难度，同时也对加工设备的机加能力提出了较高的要求。同时，激光熔覆等工艺的也需要专业的设备，这些都大大提高了叶盘修复的成本。与此同时，以上修复手段只是实现了失谐叶盘在几何尺寸层面上的一致，但是并不能完全保证各扇区在动力学特性上的一致。以上方法还缺少修复效果的判别环节，存在修复效果不达标的隐患。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种利用涂层修复失谐叶盘的方法。本发明的技术方案为：

一种利用涂层修复失谐叶盘的方法，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ω^b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p^b和协调叶盘的正则刚度矩阵λ；

p^b＝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，λ^cb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，ρ^tc为涂层材料的密度，tc作为上标表示有限元模型的涂层；ρ^yp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ω^bc和振型x^bc，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p^bc；

p^bc＝φ^-1x^bc(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ω^sx和振型x^sx；

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p^sx；

p^sx＝φ^-1x^sx(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ω^xf和振型x^xf；

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p^xf；

p^xf＝φ^-1x^xf(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。

进一步地，所述步骤2.2.1中确定补偿基准的原则是：若叶片的失谐量有正的也有负的或者全部是正的，以最大正失谐量为补偿基准；若叶片的失谐量全部是负的，则以绝对值最小的负失谐量为补偿基准。

本发明的有益效果：

本发明基于对叶盘的失谐辨识，采用涂层修复的方式来补偿叶盘的失谐量，达到修复叶盘失谐的目的，该方法具有以下技术优势：

(1)修复原理更加符合叶片动力学要求。以往的修复方式大多仅是基于保持叶盘各扇区几何尺寸的一致性，而该方法对叶盘的失谐量判定是从动力学角度出发，获得失谐叶盘各扇区的质量和刚度失谐量，得到的失谐量与叶盘运转的动力学特性相关。本方法基于这些动力学失谐量进行失谐叶盘修复更加能够满足叶盘的动力学要求。

(2)修复成本低。该方法相对于以往的修复方式，除了必要的叶片表面清洁处理之外，几乎没有其他机械加工的工作量，避免了叶盘加工的精度保证困难和设备昂贵的问题。

(3)该方法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。

附图说明：

图1是本发明具体实施方式的失谐叶盘的结构示意图，其中1-18为叶片编号。

图2是本发明具体实施方式中利用涂层修复失谐叶盘的方法的具体流程图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本实施方式中，利用涂层对一个失谐叶盘(其结构如图1所示，叶片数量为18)进行修复操作，其叶片几何尺寸为80mm×22mm×5mm(长×宽×厚)，材料为45钢，弹性模量为209gpa，泊松比为0.265，密度为7890kg/m³。修复使用的涂层选用zn-1型粘弹性材料，弹性模量为30mpa，泊松比为0.49，密度为789.5kg/m³。

该方法的具体实施流程如图2所示，包括以下步骤：

步骤1：对失谐叶盘进行失谐辨识，获得各个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、锈蚀等进行清理，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根据公式(1)计算每个叶片的质量失谐量

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ω^b和振型x。

步骤1.4：结合步骤1.2的质量失谐量结果对失谐叶盘进行刚度失谐辨识，计算失谐叶盘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：分别通过公式(2)和(3)获得失谐叶盘正则坐标向量p^b和协调叶盘的正则刚度矩阵λ。

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，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；再通过公式(4)和(5)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

步骤1.4.4：根据公式(6)计算失谐叶盘各叶片的刚度失谐量计算结果见表1。

表1失谐叶盘的刚度失谐量

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，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。本次实施方式中采用的涂层涂敷方式是对叶片的单侧的整个表面进行涂层涂敷，在每个叶片上涂敷不同厚度的涂层材料，设定的涂层单位厚度为0.0001mm，各种涂层厚度按照单位涂层厚度的倍数进行确设定，各个叶片涂层的厚度见表2。

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计算公式(7)获得涂层叶盘仿真模型的质量失谐量

步骤2.1.3：以失谐叶盘的理论设计尺寸为基体(即协调状态)，根据步骤2.1.1的涂层方案建立该涂层叶盘的有限元模型，并进行模态分析获得固有频率ω^bc和振型x^bc。

步骤2.1.4：根据计算公式(8)计算涂层叶盘有限元模型的正则坐标向量p^bc。

步骤2.1.5：根据计算公式(9)获得涂层叶盘有限元模型各叶片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，计算结果见表2。

表2涂层叶盘有限元模型的涂层厚度及辨识得到的刚度失谐补偿量

步骤2.1.6：根据步骤2.1.5的计算结果(见表2)，再进一步计算单位厚度(0.0001m)涂层的刚度失谐补偿量为382307.7。

步骤2.2：根据步骤1获得的失谐叶盘刚度失谐量(见表1)和步骤2.1获得的单位厚度涂层的刚度失谐补偿量(见表2)进行涂层修复方案初步设计。

步骤2.2.1：通过步骤1获得的失谐叶盘刚度失谐量(见表1)确定的补偿基准为1638719.23，对应12号叶片。以该补偿基准对其他叶片进行补偿，达到12号叶片的刚度失谐水平，从而使得整个叶盘各个叶片达到一种新的协调状态。

步骤2.2.2：根据步骤1获得的失谐叶盘刚度失谐量(见表1)，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，见表3。

表3失谐叶盘涂层修复初步设计方案

步骤2.3：对涂层初步修复方案通过数值仿真层面上进行修复效果判定和方案改进，具体步骤如下：

步骤2.3.1：按照步骤2获得的涂层涂敷方案计算每个叶片上涂层的体积并根据计算公式(10)获得涂敷涂层后的失谐叶盘的质量失谐量见表4。

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ω^sx和振型x^sx。

步骤2.3.3：根据计算公式(11)计算涂敷涂层后的失谐叶盘正则坐标向量p^sx。

步骤2.3.4：根据计算公式(12)获得涂敷涂层后的失谐叶盘各叶片的刚度失谐量计算结果见表4。

表4涂敷涂层后的失谐叶盘有限元模型的质量失谐量和刚度失谐量

步骤2.3.5：根据步骤2.3.4的计算结果对修复效果进行判定，通过表4可以看出各叶片的失谐量基本上都达到了12号叶片的水平，判定修复效果达标，完成了修复方案设计。

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，必要时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：对涂层修复后失谐叶盘进行失谐辨识，根据辨识结果判定是否达到修复标准，并进行必要的再修复处理，具体过程如下：

步骤3.2.1：对涂层修复后失谐叶盘的各叶片(包含涂层)外形尺寸进行测量得到涂层叶片的体积并根据公式(13)计算质量失谐量，计算结果见表5。

步骤3.2.2：对涂层修复后失谐叶盘步进行模态测试，获得固有频率ω^xf和振型x^xf。

步骤2.3.3：根据计算公式(14)计算修复后失谐叶盘的正则坐标向量p^xf。

步骤2.3.4：根据计算公式(15)获得修复后失谐叶盘各叶片的刚度失谐量计算结果见表5。

表5涂层修复后的失谐叶盘的质量失谐量和刚度失谐量

步骤3.2.5：根据步骤3.2.4的计算结果对修复效果进行判定，通过表5可以看出各叶片的失谐量基本上都达到了12号叶片的水平，判定修复效果达标，失谐叶盘的修复完成。

本发明具体实施方式中对失谐叶盘进行修复，对叶盘的失谐量判定是从动力学角度出发，获得失谐叶盘各扇区的质量和刚度失谐量，得到的失谐量与叶盘运转的动力学特性相关。因此修复过程更加能够满足叶盘的动力学要求。此外，该方法除了必要的叶片表面清洁处理之外，几乎没有其他机械加工的工作量，修复成本低。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。