基于机匣振动的发动机非线性动平衡方法及装置

1.本发明涉及发动机动平衡技术领域，尤其涉及一种基于机匣振动的发动机非线性动平衡方法及装置。


背景技术：

2.发动机是一种高度复杂和精密的旋转机械，在工业发展中起着关键性的作用。发动机工作环境恶劣、性能衰减快，经常因为旋转部件不平衡问题，消耗大量的财力物力，因此发动机动平衡具有重要的工程意义。即使在装配前会对转子进行动平衡，但是由于装配等原因，整机组装后，仍无法完全避免不平衡量的存在。发动机内部工作环境恶劣，空间有限，不能直接监测转子振动，只能通过在机匣上安装传感器来对整机系统进行监测。另外非线性挤压油膜阻尼器的存在，给发动机整机动平衡带来困难。
3.现有技术中，普遍采用多次试重的方法对非线性系统进行动平衡。对于大型旋转机械，多次试重的起停车会消耗巨大的人力和物力资源。此外在发动机整机建模中，通常将机匣进行简单的建模，或者将整机系统进行简化，与实际相差较大，难以有效的将整机动平衡应用于工程中。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于机匣振动的发动机非线性动平衡方法及装置。
5.本发明提供如下技术方案：
6.第一方面，本公开实施例中提供了一种基于机匣振动的发动机非线性动平衡方法，所述方法包括:
7.获取发动机机匣内的轴承座到机匣表面测点的频率响应函数与轴承座之间的频率响应函数，获取整机系统内的机匣表面测点在平衡转速下的第一加速度信号，基于所述第一加速度信号和所述轴承座到机匣表面测点的频率响应函数，计算所述机匣在所述平衡转速下的轴承座位置作用力；
8.基于所述轴承座位置作用力，计算所述发动机的转子结构在支承位置的位移、非线性油膜力和轴承力；
9.基于所述位移、所述非线性油膜力和所述轴承力，利用模态坐标进行解耦，计算所述转子结构的等效不平衡量计算方程；
10.通过预设迭代方法对所述等效不平衡量方程求解，得到所述等效不平衡量方程的解，并根据所述等效不平衡量方程的解，计算所述转子结构的等效不平衡量，根据所述等效不平衡量对所述转子结构进行动平衡。
11.进一步地，所述获取发动机机匣内的轴承座到机匣表面测点的频率响应函数，包括：
12.去除所述发动机的转子结构和转子支承结构，得到所述机匣；
13.依次在所述机匣内所有轴承座截面的激振力施加面上施加激振力，得到所有所述机匣表面测点和所述轴承座截面上的加速度传感器监测到的第二加速度信号；
14.基于所述激振力和所述第二加速度信号，计算轴承座到机匣表面测点的频率响应函数和轴承座之间的频率响应函数。
15.进一步地，所述获取整机系统内的机匣表面测点在平衡转速下的第一加速度信号，包括：
16.去除所述轴承座截面上的加速度传感器，安装所述转子结构和所述转子支承结构，得到所述整机系统；
17.根据实际需求，确定所述平衡转速，并得到所述机匣表面测点在所述平衡转速下的第一加速度信号。
18.进一步地，所述基于所述第一加速度信号和所述轴承座到机匣表面测点的频率响应函数，计算所述机匣在所述平衡转速下的轴承座位置作用力，包括：
19.利用所述轴承座到所述机匣表面测点的频率响应函数和所述机匣表面测点在所述平衡转速下的第一加速度信号，计算所述轴承座位置作用力，计算公式为：
[0020][0021]
式中，fc是所述轴承座位置作用力，xc是对所述第一加速度信号进行积分得到的位移信号，是所述轴承座到机匣表面测点的频率响应函数。
[0022]
进一步地，所述基于所述轴承座位置作用力，计算转子结构在支承位置的位移、非线性油膜力和轴承力，包括：
[0023]
基于所述轴承座位置作用力，得到转子支承位置作用力；
[0024]
获取油膜力表达式，基于所述轴承座之间的频率响应函数的轴承力表达式，基于所述转子支承位置作用力、所述油膜力表达式和所述轴承力表达式，利用迭代算法计算所述位移；
[0025]
基于所述位移，利用所述油膜力表达式和所述轴承力表达式，计算所述轴承力和所述非线性油膜力。
[0026]
进一步地，所述基于所述位移、所述非线性油膜力和所述轴承力，利用模态坐标进行解耦，计算所述转子结构的等效不平衡量计算方程，包括：
[0027]
基于所述位移、所述非线性油膜力和所述轴承力，对所述转子结构建立有限元模型和转子运动方程，并对所述有限元模型进行模态分析，得到所述转子结构的固有频率和各阶振型；
[0028]
利用所述转子结构的固有频率和各阶振型，将所述转子运动方程转换到模态坐标中，得到所述模态坐标中的转子运动方程；
[0029]
对所述模态坐标中的转子运动方程进行转换，得到所述等效不平衡量计算方程。
[0030]
进一步地，所述预设迭代方法为基于吉洪诺夫正则化的迭代方法，所述通过预设迭代方法对所述等效不平衡量方程求解，得到所述等效不平衡量方程的解，包括：
[0031]
根据吉洪诺夫矩阵计算所述等效不平衡计算方程的近似解，将所述近似解作为初始计算值进行迭代，并判断迭代到预设次数后是否满足预设收敛条件；
[0032]
若满足所述预设收敛条件，则结束迭代，得到所述等效不平衡量方程的解；
[0033]
若未满足所述预设收敛条件，则自动调整所述吉洪诺夫矩阵，重复进行迭代直至满足所述预设收敛条件。
[0034]
进一步地，所述根据所述等效不平衡量方程的解，计算所述转子结构的等效不平衡量，包括：
[0035]
根据所述等效不平衡量方程的解，计算所述转子结构的等效不平衡量的大小，计算公式为：
[0036][0037]
式中，ui是第i个所述等效不平衡量的大小，u是所述等效不平衡量方程的解；
[0038]
根据所述等效不平衡量方程的解，计算所述转子结构的等效不平衡量的相位，计算公式为：
[0039][0040]
式中，是第i个所述等效不平衡量的相位。
[0041]
进一步地，所述根据所述等效不平衡量对所述转子结构进行动平衡，包括：
[0042]
确定所述机匣中包含的转子结构的数量；
[0043]
当所述转子结构的数量等于1时，则直接根据所述等效不平衡量对所述转子结构进行动平衡；
[0044]
当所述转子结构的数量大于1时，则对所述第一加速度信号进行傅里叶级数分解，得到不同的转子结构上由所述等效不平衡量引起的机匣振动，并基于不同的转子结构上的机匣振动，依次对各所述转子结构进行动平衡。
[0045]
第二方面，本公开实施例中提供了一种基于机匣振动的发动机非线性动平衡装置，所述装置包括：
[0046]
采集模块，用于获取发动机机匣内的轴承座到机匣表面测点的频率响应函数与轴承座之间的频率响应函数，获取整机系统内的机匣表面测点在平衡转速下的第一加速度信号，基于所述第一加速度信号和所述轴承座到机匣表面测点的频率响应函数，计算所述机匣在所述平衡转速下的轴承座位置作用力；
[0047]
计算模块，用于基于所述轴承座位置作用力，计算所述发动机的转子结构在支承位置的位移、非线性油膜力和轴承力；
[0048]
解耦模块，用于基于所述位移、所述非线性油膜力和所述轴承力，利用模态坐标进行解耦，计算所述转子结构的等效不平衡量计算方程；
[0049]
动平衡模块，用于通过预设迭代方法对所述等效不平衡量方程求解，得到所述等效不平衡量方程的解，并根据所述等效不平衡量方程的解，计算所述转子结构的等效不平衡量，根据所述等效不平衡量对所述转子结构进行动平衡。
[0050]
本技术的实施例具有如下优点：
[0051]
本技术实施例提供的基于机匣振动的发动机非线性动平衡方法，方法包括：获取发动机机匣内的轴承座到机匣表面测点的频率响应函数与轴承座之间的频率响应函数，获取整机系统内的机匣表面测点在平衡转速下的第一加速度信号，基于所述第一加速度信号和所述轴承座到机匣表面测点的频率响应函数，计算所述机匣在所述平衡转速下的轴承座
位置作用力；基于所述轴承座位置作用力，计算所述发动机的转子结构在支承位置的位移、非线性油膜力和轴承力；基于所述位移、所述非线性油膜力和所述轴承力，利用模态坐标进行解耦，计算所述转子结构的等效不平衡量计算方程；通过预设迭代方法对所述等效不平衡量方程求解，得到所述等效不平衡量方程的解，并根据所述等效不平衡量方程的解，计算所述转子结构的等效不平衡量，根据所述等效不平衡量对所述转子结构进行动平衡。通过上述方法可以有效提高非线性动平衡精度，有效抑制整机系统的振动。
[0052]
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显和易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，做详细说明如下。
附图说明
[0053]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在各个附图中，类似的构成部分采用类似的编号。
[0054]
图1示出了本技术实施例提供的一种基于机匣振动的发动机非线性动平衡方法的流程图；
[0055]
图2示出了本技术实施例提供的任意轴承座截面上加速度传感器和激振力位置分布示意图；
[0056]
图3示出了本技术实施例的任意轴承座位置处转子结构、转子支承结构与机匣的安装关系图；
[0057]
图4示出了本技术实施例的基于吉洪诺夫正则化的迭代方法流程图；
[0058]
图5示出了本技术实施例提供的一种基于机匣振动的发动机非线性动平衡量装置的结构示意图。
[0059]
主要元件符号说明：
[0060]
1-机匣；11-轴承座安装面；12-激振力施加面；21-第一加速度传感器；22-第二加速度传感器；31-第一激振力位置；32-第二激振力位置；41-转子结构；42-滚动轴承；43-转子支承结构；5-第一间隙；500-基于机匣振动的发动机非线性动平衡装置；510-采集模块；520-计算模块；530-解耦模块；540-动平衡模块。
具体实施方式
[0061]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0062]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
[0063]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等
术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0064]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0065]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在模板的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0066]
实施例1
[0067]
如图1所示，为本技术实施例中的一种基于机匣振动的发动机非线性动平衡方法的流程图，本技术实施例提供的基于机匣振动的发动机非线性动平衡方法包括以下步骤：
[0068]
步骤s110，获取发动机机匣内的轴承座到机匣表面测点的频率响应函数与轴承座之间的频率响应函数，获取整机系统内的机匣表面测点在平衡转速下的第一加速度信号，基于所述第一加速度信号和所述轴承座到机匣表面测点的频率响应函数，计算所述机匣在所述平衡转速下的轴承座位置作用力。
[0069]
在本实施例中，如图2所示，为本实施例提供的任意轴承座截面上加速度传感器和激振力位置分布示意图。其中，加速度传感器包括：第一加速度传感器21、第二加速度传感器22。第一加速度传感器21和第二加速度传感器22安装在轴承座安装面11上。具体地，所述第一加速度传感器21和第二加速度传感器22相隔90
°
安装。优选地，所述第一加速度传感器21和第二加速度传感器22安装在所述轴承座安装面11的水平和垂直方向上，加速度监测方向为各自位置与机匣1轴心连线的径向方向。图2所示的加速度传感器的布置位置对任意机匣轴承座截面都适用，这里不对所有轴承座截面的加速度传感器布置情况进行赘述。
[0070]
另外，激振力位置包括：第一激振力位置31、第二激振力位置32。第一激振力位置31和第二激振力位置32分布在激振力施加面12上。具体地，所述第一激振力位置31和第二激振力位置32相隔90
°
。优选地，所述第一激振力位置31和第二激振力位置32在激振力施加面12的水平和垂直方向上，激励方向为各自与机匣1轴心连线的径向方向。图2所示的激振力位置对任意机匣轴承座截面都适用，这里不对所有轴承座截面的激振力位置情况进行赘述。
[0071]
需要说明的是，针对发动机整机系统，去除发动机的转子结构41和转子支承结构43，保留下的部分为机匣1。在机匣1的表面选择关键或关注的位置作为机匣表面测点，并在机匣表面测点上安装加速度传感器。
[0072]
依次在机匣1所有轴承座截面的激振力施加面12上，于第一激振力位置31和第二激振力位置32施加激振力，同时得到激振力和所有机匣表面测点、所有轴承座截面上的第一加速度传感器21和第二加速度传感器22监测到的第二加速度信号。
[0073]
基于采集到的所有第二加速度信号进行频域内二次积分，转换为监测点位移。得
到所有激振力和激励下所有位移后，通过以下公式计算激振力和位移之间的频率响应函数：
[0074][0075]
式中，ω是激振力x的频率，h
xy
(ω)是激振力x与位移y之间的传递函数，s
x
(ω)是激振力x的自功率谱密度，s
xy
(ω)是激振力x与位移y的互功率谱密度。
[0076]
具体地，若机匣1有n个轴承座，则激振力位置共有2n个，所有机匣截面上，轴承座安装面11上的加速度传感器有2n个。若机匣表面测点有m个，则加速度传感器共2n+m个。激振力与位移之间的传递函数在某一频率下，有2n
×
(2n+m)个。将激振力与机匣表面测点上的m个加速度传感器采集的第二加速度信号进行处理，得到2n
×
m个激振力到机匣表面测点的频率响应函数，按顺序组合成2n
×
m的轴承座到机匣表面测点的频率响应函数矩阵。将激振力与所有轴承座安装面11上的2n个加速度传感器采集到的第二加速度信号进行处理，得到2n
×
2n个激振力到轴承座截面测点的频率响应函数，按顺序组合成2n
×
2n的轴承座到轴承座之间的频率响应函数。
[0077]
可以理解的是，在本实施例中，第一激振力位置31和第二激振力位置32处的激振力施加方式为锤击，但在具体实际应用中激振力施加方向可以为其他激励方式，如扫频激励等，本技术实施例对此不作限定。
[0078]
可选地，在本实施例中，轴承座到机匣表面测点的频率响应函数、轴承座之间的频率响应函数也可通过有限元计算软件(如ansys)建立发动机机匣1的有限元模型后计算获得，本实施例对此不作限定。
[0079]
进一步地，如图3所示，为任意轴承座位置处的转子结构41、滚动轴承42和转子支承结构43与机匣1的安装关系图。
[0080]
在本实施例中，转子结构41与滚动轴承42内圈连接，滚动轴承42外圈安装在转子支承结构43上。转子支承结构43安装在机匣1的轴承座安装面11上。因此在安装转子结构41及转子支承结构43时，要去掉轴承座安装面11上的第一加速度传感器21和第二加速度传感器22。转子支承结构43和机匣1之间存在第一间隙5，当第一间隙5中充满油膜时，形成挤压油膜阻尼器，会对发动机的整机系统提供非线性油膜力。但是需要说明的是，并非所有轴承座位置处的第一间隙5都充满油膜，当第一间隙5中为空气时，该轴承座位置无挤压油膜阻尼器，因此也不存在油膜力。
[0081]
进一步地，机匣1在轴承座位置的受力包括：转子支承结构43作用在轴承座安装面11的作用力和第一间隙5中充满油膜时形成的挤压油膜阻尼器作用在机匣1的非线性油膜力。轴承座安装面11和第一间隙5之间的轴向距离与机匣1整体的轴向距离相比较小，在本技术实施例中，将转子支承结构43作用在轴承座安装面11的作用力与第一间隙5中充满油膜时对机匣1作用的非线性油膜力的位置视为同一位置，均位于轴承座安装面11处。
[0082]
可以理解的是，转子结构41在不平衡力的作用下，产生振动，该振动通过滚动轴承42和转子支承结构43传递到机匣1的机匣表面测点，被m个加速度传感器采集。实际操作中，选取振动较大的转速或工作转速作为平衡转速，确定不平衡力的作用下发动机机匣1的平衡转速，得到平衡转速下机匣表面测点在平衡转速下的m个加速度信号。
[0083]
进一步地，利用轴承座到机匣表面测点的频率响应函数g
bc
和机匣表面测点在平衡
转速下的m个第一加速度信号，计算机匣1在平衡转速下的轴承座位置作用力，计算公式为：
[0084][0085]
式中，fc是所述轴承座位置作用力，xc是对m个机匣表面测点的第一加速度信号进行积分得到的位移信号，是所述轴承座到机匣表面测点的频率响应函数。具体地，fc和xc是矢量矩阵，包含幅值和相位信息。
[0086]
利用所述轴承座到机匣表面测点的频率响应函数，能有效得到所述轴承座位置作用力。
[0087]
步骤s120，基于所述轴承座位置作用力，计算所述发动机的转子结构在支承位置的位移、非线性油膜力和轴承力。
[0088]
需要说明的是，在本实施例中，机匣1的轴承座位置作用力fc与作用在转子结构41上的支承位置的转子支承位置作用力fr大小相等且方向相反：
[0089]fr
＝fb+fs(xb)＝-fc[0090]
其中，轴承力表达式为：
[0091][0092]
式中，fr是转子支承位置作用力矩阵，fb是考虑机匣柔性影响后转子支承结构43作用在轴承座安装面11的轴承力，fs(xb)是第一间隙5中充满油膜时对机匣1的非线性油膜力，kb是转子支承结构的刚度矩阵，xb是转子结构在支承位置的位移。i是单位矩阵，是所述轴承座之间的频率响应函数。
[0093]
本技术实施例中，油膜力矩阵fs(xb)与转子结构41在支承位置的位移xb相关。油膜力矩阵fs(xb)包含x、y两个方向的力，具体的油膜力表达式为：
[0094][0095][0096]
其中：
[0097][0098][0099][0100]
式中，i表示第i个油膜，μi是第i个油膜粘度，ri是第i个油膜内径，li是第i个油膜长度，ci是第i个油膜粘度间隙。xi、yi分别是转子结构在支承位置的振动中对应的第i个油膜处x、y方向的位移，ω是平衡转速，表示对εi进行求导运算。
[0101]
进一步地，基于已知的转子支承位置作用力fr和轴承力表达式、油膜力表达式后，利用迭代算法求解转子结构41在支承位置的位移xb。
[0102]
可选地，在本技术实施例中，迭代算法可以为牛顿-拉尔森迭代算法，具体的迭代算法可根据实际情况确定，本技术实施例对此不作限定。
[0103]
进一步地，根据油膜力表达式和轴承力表达式，计算转子结构41受到的非线性油膜力fs(xb)和支承位置的轴承力fb。
[0104]
至此，用于不平衡量识别的数据从机匣表面测点的所述第一加速度信号转化为转子在支承位置的位移xb，简化了不平衡量识别过程。
[0105]
步骤s130，基于所述位移、所述非线性油膜力和所述轴承力，利用模态坐标进行解耦，计算所述转子结构的等效不平衡量计算方程。
[0106]
在本实施例中，将转子运动方程中不平衡力、非线性油膜力、转子结构阻尼力、支承位置弹性力看做转子结构外力。进一步地，转子结构41可看做仅有质量和阻尼的系统。可选地，利用铁木辛柯梁理论对转子结构41进行网格划分，建立转子结构41的有限元模型及转子运动方程。并对有限元模型进行模态分析，得到转子结构41的固有频率和各阶振型。
[0107]
进一步地，利用转子结构41的各阶振型组成的振型矩阵，将转子运动方程转换到模态坐标中，得到模态坐标中的转子运动方程：
[0108][0109]
式中，ω是激振力频率，e是质量归一化的振型矩阵，q是模态坐标下转子结构的位移，表示对q进行二次求导运算，λ是ω
12
，ω
22
，
…
，ω
r2
组成的对角矩阵，ωi(i＝1，2，
…
，r是系统前r阶的固有频率。
[0110]
由于不平衡量仅对转子结构41的基频振动产生影响，进一步地，本技术实施例中，针对基频成分对模态坐标中的转子运动方程进行转换，得到等效不平衡量计算方程：
[0111]
qu＝z
[0112]
其中：
[0113][0114][0115]
q＝bω2[0116]
其中：
[0117][0118][0119]
[0120][0121][0122][0123]eq
＝[e
(b1)t e
(b2)t
…e(bn)t
]
ttt
[0124]
式中，e
(bi)
是e的第bi个行向量，bi(i＝1，2，
…
，n)是转子有限元模型中轴承各自由度所在位置，uc、us是转子等效不平衡量，c是转子的阻尼，包括陀螺效应，su、sb、ss分别是不平衡力、轴承力、非线性油膜力的挑选矩阵。
[0125]
至此，不平衡量识别过程转换为求解线性方程组的过程。
[0126]
步骤s140，通过预设迭代方法对所述等效不平衡量方程求解，得到所述等效不平衡量方程的解，并根据所述等效不平衡量方程的解，计算所述转子结构的等效不平衡量，根据所述等效不平衡量对所述转子结构进行动平衡。
[0127]
本技术实施例中，等效不平衡量计算方程中，矩阵q是高度病态矩阵，常规计算方法无法准确计算转子等效不平衡量uc、us。
[0128]
具体地，本技术实施例中提供了一种基于吉洪诺夫正则化的迭代方法，可以求解等效不平衡量计算方程。
[0129]
图4示出了本发明实施例的基于吉洪诺夫正则化的迭代方法流程图。如图4所示，选取任意的吉洪诺夫矩阵计算所述等效不平衡计算方程的近似解：
[0130][0131]
式中：γ＝αι是吉洪诺夫矩阵，不同的α对近似解有明显的影响，即使α取值合适，病态方程组的解有时也不能满足实际需求。
[0132]
需要说明的是，本技术实施例的迭代过程中，对于任意的α，规定：
[0133][0134][0135][0136]
本技术实施例中，迭代到预设次数后若满足收敛条件本技术实施例中，迭代到预设次数后若满足收敛条件结束迭代，ε是收敛判断常数。若迭代到预设次数后，仍未满足预设收敛条件，则自动调整吉洪诺夫矩阵也即α的值，重复图4所示得迭代过程，直至满足预设收敛条件，完成等效不平衡量方程的求解，得到等效不平衡量方程的解u。
[0137]
本技术实施例中，所述等效不平衡量方程的解u包括：一阶cos项不平衡量uc、一阶sin项不平衡量us，且：
[0138][0139][0140]
式中，j为平衡量个数，ui、(i＝1，2，...，j)分别为第i个等效不平衡量的大小和相位。
[0141]
可选地，根据一阶cos项不平衡量uc计算等效不平衡量：
[0142][0143][0144]
同样地，可根据一阶sin项不平衡量us计算等效不平衡量：
[0145][0146][0147]
本技术实施例中，作为一可选实施例，当有多个平衡转速时，等效不平衡量计算方程更改为：
[0148][0149]
多平衡转速下的等效不平衡量计算方程求解和等效不平衡量计算与步骤140相同，本技术在此不再赘述。
[0150]
进一步地，计算出等效不平衡量后，利用等效不平衡量对转子结构41进行动平衡。首先确定机匣1中包含的转子结构41的数量，若只包含一个转子结构41，则直接所述等效不平衡量对该转子结构41进行动平衡；若包含多个转子结构41，因为各转子结构41的转速不同，因此在不平衡力作用下，机匣表面测点采集的机匣振动包含多个频率。
[0151]
本技术实施例中，作为一种可选的实施方式，针对多个转子结构41的情况，对机匣表面测点采集的第一加速度信号进行傅里叶级数分解：
[0152][0153][0154]
式中，为第i个转子结构引起振动的cos项和sin项对应的傅里叶级数，ωi为第i个转子结构的旋转频率，t为振动周期。进一步地：
[0155]
[0156]
式中，ai、ψi为第i个转子引起的机匣振动的加速度幅值和相位。
[0157]
进一步地，依照步骤110-步骤140，依次根据i个转子激起的机匣振动，依次对i个转子结构进行动平衡。实现了基于机匣所述第一加速度信号的多转子不平衡量识别，更加符合工程应用。
[0158]
本技术实施例提供的基于机匣振动的发动机非线性动平衡方法，通过获取发动机机匣内的轴承座到机匣表面测点的频率响应函数与轴承座之间的频率响应函数，获取整机系统内的机匣表面测点在平衡转速下的第一加速度信号，基于所述第一加速度信号和所述轴承座到机匣表面测点的频率响应函数，计算所述机匣在所述平衡转速下的轴承座位置作用力；基于所述轴承座位置作用力，计算所述发动机的转子结构在支承位置的位移、非线性油膜力和轴承力；基于所述位移、所述非线性油膜力和所述轴承力，利用模态坐标进行解耦，计算所述转子结构的等效不平衡量计算方程；通过预设迭代方法对所述等效不平衡量方程求解，得到所述等效不平衡量方程的解，并根据所述等效不平衡量方程的解，计算所述转子结构的等效不平衡量，根据所述等效不平衡量对所述转子结构进行动平衡。上述方法可以有效提高非线性动平衡精度，有效抑制整机系统的振动。
[0159]
实施例2
[0160]
如图5所示，为本技术实施例中的一种基于机匣振动的发动机非线性动平衡装置500的结构示意图，其装置包括：
[0161]
采集模块510，用于获取发动机机匣内的轴承座到机匣表面测点的频率响应函数与轴承座之间的频率响应函数，获取整机系统内的机匣表面测点在平衡转速下的第一加速度信号，基于所述第一加速度信号和所述轴承座到机匣表面测点的频率响应函数，计算所述机匣在所述平衡转速下的轴承座位置作用力；
[0162]
计算模块520，用于基于所述轴承座位置作用力，计算所述发动机的转子结构在支承位置的位移、非线性油膜力和轴承力；
[0163]
解耦模块530，用于基于所述位移、所述非线性油膜力和所述轴承力，利用模态坐标进行解耦，计算所述转子结构的等效不平衡量计算方程；
[0164]
动平衡模块540，用于通过预设迭代方法对所述等效不平衡量方程求解，得到所述等效不平衡量方程的解，并根据所述等效不平衡量方程的解，计算所述转子结构的等效不平衡量，根据所述等效不平衡量对所述转子结构进行动平衡。
[0165]
可选地，上述基于机匣振动的发动机非线性动平衡装置500还包括：
[0166]
第一去除模块，用于去除所述发动机的转子结构和转子支承结构，得到所述机匣；
[0167]
施加模块，用于依次在所述机匣内所有轴承座截面的激振力施加面上施加激振力，得到所有所述机匣表面测点和所述轴承座截面上的加速度传感器监测到的第二加速度信号；
[0168]
第一计算子模块，用于基于所述激振力和所述第二加速度信号，计算轴承座到机匣表面测点的频率响应函数和轴承座之间的频率响应函数。
[0169]
可选地，上述基于机匣振动的发动机非线性动平衡装置500还包括：
[0170]
第二去除模块，用于去除所述轴承座截面上的加速度传感器，安装所述转子结构和所述转子支承结构，得到所述整机系统；
[0171]
第一确定模块，用于根据实际需求，确定所述平衡转速，并得到所述机匣表面测点
在所述平衡转速下的第一加速度信号。
[0172]
可选地，上述基于机匣振动的发动机非线性动平衡装置500还包括：
[0173]
第二计算子模块，用于利用所述轴承座到所述机匣表面测点的频率响应函数和所述机匣表面测点在所述平衡转速下的第一加速度信号，计算所述轴承座位置作用力，计算公式为：
[0174][0175]
式中，fc是所述轴承座位置作用力，xc是对所述第一加速度信号进行积分得到的位移信号，是所述轴承座到机匣表面测点的频率响应函数。
[0176]
可选地，上述基于机匣振动的发动机非线性动平衡装置500还包括：
[0177]
第三计算子模块，用于基于所述轴承座位置作用力，得到转子支承位置作用力；
[0178]
第四计算子模块，用于获取油膜力表达式，基于所述轴承座之间的频率响应函数的轴承力表达式，基于所述转子支承位置作用力、所述油膜力表达式和所述轴承力表达式，利用迭代算法计算所述位移；
[0179]
第五计算子模块，用于基于所述位移，利用所述油膜力表达式和所述轴承力表达式，计算所述轴承力和所述非线性油膜力。
[0180]
可选地，上述基于机匣振动的发动机非线性动平衡装置500还包括：
[0181]
分析模块，用于基于所述位移、所述非线性油膜力和所述轴承力，对所述转子结构建立有限元模型和转子运动方程，并对所述有限元模型进行模态分析，得到所述转子结构的固有频率和各阶振型；
[0182]
第一转换模块，用于利用所述转子结构的固有频率和各阶振型，将所述转子运动方程转换到模态坐标中，得到所述模态坐标中的转子运动方程；
[0183]
第二转换模块，用于对所述模态坐标中的转子运动方程进行转换，得到所述等效不平衡量计算方程。
[0184]
可选地，上述基于机匣振动的发动机非线性动平衡装置500还包括：
[0185]
判断模块，用于根据吉洪诺夫矩阵计算所述等效不平衡计算方程的近似解，将所述近似解作为初始计算值进行迭代，并判断迭代到预设次数后是否满足预设收敛条件；
[0186]
求解模块，用于若满足所述预设收敛条件，则结束迭代，得到所述等效不平衡量方程的解；
[0187]
调整模块，用于若未满足所述预设收敛条件，则自动调整所述吉洪诺夫矩阵，重复进行迭代直至满足所述预设收敛条件。
[0188]
可选地，上述基于机匣振动的发动机非线性动平衡装置500还包括：
[0189]
第六计算子模块，用于根据所述等效不平衡量方程的解，计算所述转子结构的等效不平衡量的大小，计算公式为：
[0190][0191]
式中，ui是第i个所述等效不平衡量的大小，u是所述等效不平衡量方程的解；
[0192]
第七计算子模块，用于根据所述等效不平衡量方程的解，计算所述转子结构的等效不平衡量的相位，计算公式为：
[0193][0194]
式中，是第i个所述等效不平衡量的相位。
[0195]
可选地，上述基于机匣振动的发动机非线性动平衡装置500还包括：
[0196]
第二确定模块，用于确定所述机匣中包含的转子结构的数量；
[0197]
第一动平衡子模块，用于当所述转子结构的数量等于1时，则直接根据所述等效不平衡量对所述转子结构进行动平衡；
[0198]
第二动平衡子模块，用于当所述转子结构的数量大于1时，则对所述第一加速度信号进行傅里叶级数分解，得到不同的转子结构上由所述等效不平衡量引起的机匣振动，并基于不同的转子结构上的机匣振动，依次对各所述转子结构进行动平衡。
[0199]
本技术实施例提供的基于机匣振动的发动机非线性动平衡装置，可以有效提高非线性动平衡精度，有效抑制整机系统的振动。
[0200]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图和/或流程图中的每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0201]
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。
[0202]
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是智能手机、个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0203]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于机匣振动的发动机非线性动平衡方法，其特征在于，所述方法包括：获取发动机机匣内的轴承座到机匣表面测点的频率响应函数与轴承座之间的频率响应函数，获取整机系统内的机匣表面测点在平衡转速下的第一加速度信号，基于所述第一加速度信号和所述轴承座到机匣表面测点的频率响应函数，计算所述机匣在所述平衡转速下的轴承座位置作用力；基于所述轴承座位置作用力，计算所述发动机的转子结构在支承位置的位移、非线性油膜力和轴承力；基于所述位移、所述非线性油膜力和所述轴承力，利用模态坐标进行解耦，计算所述转子结构的等效不平衡量计算方程；通过预设迭代方法对所述等效不平衡量方程求解，得到所述等效不平衡量方程的解，并根据所述等效不平衡量方程的解，计算所述转子结构的等效不平衡量，根据所述等效不平衡量对所述转子结构进行动平衡。2.根据权利要求1所述的基于机匣振动的发动机非线性动平衡方法，其特征在于，所述获取发动机机匣内的轴承座到机匣表面测点的频率响应函数，包括：去除所述发动机的转子结构和转子支承结构，得到所述机匣；依次在所述机匣内所有轴承座截面的激振力施加面上施加激振力，得到所有所述机匣表面测点和所述轴承座截面上的加速度传感器监测到的第二加速度信号；基于所述激振力和所述第二加速度信号，计算轴承座到机匣表面测点的频率响应函数和轴承座之间的频率响应函数。3.根据权利要求2所述的基于机匣振动的发动机非线性动平衡方法，其特征在于，所述获取整机系统内的机匣表面测点在平衡转速下的第一加速度信号，包括：去除所述轴承座截面上的加速度传感器，安装所述转子结构和所述转子支承结构，得到所述整机系统；根据实际需求，确定所述平衡转速，并得到所述机匣表面测点在所述平衡转速下的第一加速度信号。4.根据权利要求1所述的基于机匣振动的发动机非线性动平衡方法，其特征在于，所述基于所述第一加速度信号和所述轴承座到机匣表面测点的频率响应函数，计算所述机匣在所述平衡转速下的轴承座位置作用力，包括：利用所述轴承座到所述机匣表面测点的频率响应函数和所述机匣表面测点在所述平衡转速下的第一加速度信号，计算所述轴承座位置作用力，计算公式为：式中，f
c
是所述轴承座位置作用力，x
c
是对所述第一加速度信号进行积分得到的位移信号，是所述轴承座到机匣表面测点的频率响应函数。5.根据权利要求1所述的基于机匣振动的发动机非线性动平衡方法，其特征在于，所述基于所述轴承座位置作用力，计算转子结构在支承位置的位移、非线性油膜力和轴承力，包括：基于所述轴承座位置作用力，得到转子支承位置作用力；获取油膜力表达式，基于所述轴承座之间的频率响应函数的轴承力表达式，基于所述
转子支承位置作用力、所述油膜力表达式和所述轴承力表达式，利用迭代算法计算所述位移；基于所述位移，利用所述油膜力表达式和所述轴承力表达式，计算所述轴承力和所述非线性油膜力。6.根据权利要求1所述的基于机匣振动的发动机非线性动平衡方法，其特征在于，所述基于所述位移、所述非线性油膜力和所述轴承力，利用模态坐标进行解耦，计算所述转子结构的等效不平衡量计算方程，包括：基于所述位移、所述非线性油膜力和所述轴承力，对所述转子结构建立有限元模型和转子运动方程，并对所述有限元模型进行模态分析，得到所述转子结构的固有频率和各阶振型；利用所述转子结构的固有频率和各阶振型，将所述转子运动方程转换到模态坐标中，得到所述模态坐标中的转子运动方程；对所述模态坐标中的转子运动方程进行转换，得到所述等效不平衡量计算方程。7.根据权利要求1所述的基于机匣振动的发动机非线性动平衡方法，其特征在于，所述预设迭代方法为基于吉洪诺夫正则化的迭代方法，所述通过预设迭代方法对所述等效不平衡量方程求解，得到所述等效不平衡量方程的解，包括：根据吉洪诺夫矩阵计算所述等效不平衡计算方程的近似解，将所述近似解作为初始计算值进行迭代，并判断迭代到预设次数后是否满足预设收敛条件；若满足所述预设收敛条件，则结束迭代，得到所述等效不平衡量方程的解；若未满足所述预设收敛条件，则自动调整所述吉洪诺夫矩阵，重复进行迭代直至满足所述预设收敛条件。8.根据权利要求1所述的基于机匣振动的发动机非线性动平衡方法，其特征在于，所述根据所述等效不平衡量方程的解，计算所述转子结构的等效不平衡量，包括：根据所述等效不平衡量方程的解，计算所述转子结构的等效不平衡量的大小，计算公式为：式中，u
i
是第i个所述等效不平衡量的大小，u是所述等效不平衡量方程的解；根据所述等效不平衡量方程的解，计算所述转子结构的等效不平衡量的相位，计算公式为：式中，是第i个所述等效不平衡量的相位。9.根据权利要求2所述的基于机匣振动的发动机非线性动平衡方法，其特征在于，所述根据所述等效不平衡量对所述转子结构进行动平衡，包括：确定所述机匣中包含的转子结构的数量；当所述转子结构的数量等于1时，则直接根据所述等效不平衡量对所述转子结构进行动平衡；当所述转子结构的数量大于1时，则对所述第一加速度信号进行傅里叶级数分解，得到
不同的转子结构上由所述等效不平衡量引起的机匣振动，并基于不同的转子结构上的机匣振动，依次对各所述转子结构进行动平衡。10.一种基于机匣振动的发动机非线性动平衡装置，其特征在于，所述装置包括：采集模块，用于获取发动机机匣内的轴承座到机匣表面测点的频率响应函数与轴承座之间的频率响应函数，获取整机系统内的机匣表面测点在平衡转速下的第一加速度信号，基于所述第一加速度信号和所述轴承座到机匣表面测点的频率响应函数，计算所述机匣在所述平衡转速下的轴承座位置作用力；计算模块，用于基于所述轴承座位置作用力，计算所述发动机的转子结构在支承位置的位移、非线性油膜力和轴承力；解耦模块，用于基于所述位移、所述非线性油膜力和所述轴承力，利用模态坐标进行解耦，计算所述转子结构的等效不平衡量计算方程；动平衡模块，用于通过预设迭代方法对所述等效不平衡量方程求解，得到所述等效不平衡量方程的解，并根据所述等效不平衡量方程的解，计算所述转子结构的等效不平衡量，根据所述等效不平衡量对所述转子结构进行动平衡。

技术总结
本发明公开了一种基于机匣振动的发动机非线性动平衡方法及装置。方法包括：获取发动机机匣的轴承座到机匣表面测点的频率响应函数和整机系统的机匣表面测点在平衡转速下的第一加速度信号，基于第一加速度信号和频率响应函数，计算机匣在平衡转速下的轴承座位置作用力；基于轴承座位置作用力，计算转子结构在支承位置的位移、非线性油膜力和轴承力；基于位移、非线性油膜力和轴承力，利用模态坐标进行解耦，计算等效不平衡量计算方程；对等效不平衡量方程求解得到等效不平衡量方程的解，并根据等效不平衡量方程的解计算等效不平衡量，根据等效不平衡量对转子结构进行动平衡。本发明可以有效提高非线性动平衡精度，有效抑制整机系统的振动。机系统的振动。机系统的振动。


技术研发人员：王维民 王珈乐
受保护的技术使用者：北京化工大学
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/8/21