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旋转叶片是航空发动机中的关键动部件,由于在极端服役环境下运行且经常变换工况,易产生振动进而诱发故障。因此监测叶片的异常振动,及时发现叶片损伤对保证发动机运行安全具有重要意义。目前,利用叶端定时(Blade Tip-Timing,BTT)方法对航空发动机旋转叶片进行在线振动监测是一项前沿技术,但BTT技术由于传感器安装受发动机结构和运行要求的制约,其测量的振动信号属于欠采样信号,而叶片由于裂纹的非线性导致其叶端出现多频振动响应,因此利用欠采样的BTT信号获取未知多频叶片振动是突破旋转叶片裂纹BTT检测的关键难题。本文通过建立含裂纹叶片动力学模型,分析裂纹对叶片振动特性影响,结合BTT方法提取裂纹敏感振动特征,提出采用压缩感知理论解决BTT欠采样多频叶片振动盲重构难题,实现旋转叶片的BTT非接触在线振动测量与裂纹检测研究。论文主要工作包括:(1)研究裂纹机理,建立含呼吸裂纹单叶片动力学模型,分析裂纹对叶片振动特性的影响,提取裂纹叶片非线性振动响应超谐特征,为实现BTT欠采样多频振动重构及裂纹检测提供理论依据。同时针对叶端振动位移分析对微小裂纹的不敏感问题,提出采用振动能量流分析方法,能增强微小裂纹引发的叶片振动响应谐波现象,并通过含裂纹叶片振动实验进行验证,为微小裂纹检测提供理论指导。(2)针对含拉筋耦合的叶盘,考虑失谐因素建立含裂纹的多叶片耦合离散动力学模型,研究叶片失谐及耦合强度对叶片振动特性影响,在此基础上进一步分析裂纹对失谐耦合叶片振动特性的影响,提取共振频率与振动幅值及其变化因子作为裂纹特征,为旋转叶片裂纹BTT检测奠定模型基础。(3)针对BTT测量叶片振动数据的欠采样特性,建立BTT测量的压缩感知模型,通过对该模型求解约束来确定实际测量过程中BTT传感器数目,并采用条件数理论对传感器布局进行优化分析,最后研究了不同稀疏重构算法对多频叶片振动重构性能的影响,解决了BTT欠采样多频叶片振动盲重构难题。(4)对含裂纹失谐叶片理论模型叶端振动进行等效BTT采样,对欠采样数据采用压缩感知理论进行重构,提取裂纹叶片二倍频响应、共振频率及振动幅值变化的裂纹特征实现旋转叶片裂纹BTT检测的仿真研究。然后通过气动激励及磁铁激励的旋转叶片振动BTT在线测振实验平台,验证了压缩感知理论能解决BTT欠采样多频叶片振动盲重构难题。最后采用预制裂纹的方法,结合压缩感知理论及理论建模提取的裂纹特征实现了旋转叶片裂纹的BTT非接触在线检测。