JPH06102106A

JPH06102106A - 振動応力分布計測装置

Info

Publication number: JPH06102106A
Application number: JP4251627A
Authority: JP
Inventors: Koreichi Ehata; 維一江畑
Original assignee: Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1992-09-21
Filing date: 1992-09-21
Publication date: 1994-04-15

Abstract

(57)【要約】【目的】広範囲の周波数域で振動する供試体に対して
高精度に振動応力分布データを得ることが可能な振動応
力分布計測装置を提供することを目的とする。【構成】供試体の表面全域に歪ゲージが貼付されてい
る。また、供試体は、加振部で低周波領域から高周波領
域までの周波数で加振される。また、歪ゲージの歪出力
値は、動歪計、動歪計のチャンネル切り替え制御が可能
なチャンネルセレクターを介してＣＰＵのデータ記憶部
に入力される。また、供試体の側部には供試体の応答信
号を読み取る変位計が配設されている。また、本装置に
は、供試体に対して所定周波数の正弦波を印加し、かつ
正弦波の変化量を歪出力値及び応答信号から検出すると
ともに、単一正弦波相関法による歪出力値と応答信号の
波形解析により、高調波成分、分調波成分さらにはラン
ダムなノイズを除去して平均化された振幅と位相を得る
周波数応答解析装置が配設されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ジェットエンジンの
動静翼に対して振動応力分布データを高精度に解析する
ことが可能な振動応力分布計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８に示すジェットエンジンにおいて、
矢印Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ位置に配設された動静翼に対して、
高精度の振動応力分布データを計測して振動特性を解析
しておくことは、ＦＥＭ（有限要素法）モデルの検証が
簡単に行えるとともに、ジェットエンジンの耐久性を確
立するために極めて重要である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、動静翼の振
動応力データを計測する従来の方法としては、動静翼モ
デルの所定箇所に複数の歪ゲージを貼付しておき、所定
の周波数で動静翼モデルを加振させ、共振点における各
歪ゲージからの歪出力値を得て振動応力データを解析す
る方法が知られている。しかしながら、歪ゲージから得
られる歪出力値の共振周波数成分の中には、電源ノイ
ズ、スパイクノイズ、さらには高調波成分などが含まれ
てしまい、従来の技術ではそれらを除去することができ
ず、正確な振動応力計測を行うことができなかった。ま
た、従来の測定方法では、振幅成分のみを測定していた
ので正負符号の歪分布を得ることが難しく、振動応力の
分布データを解析することができなかった。本発明は斯
る問題点に鑑みてなされたものであり、広範囲の周波数
域で振動する供試体に対して高精度に振動応力分布デー
タを得ることが可能な振動応力分布計測装置を提供する
点にある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の振動応力分布計
測装置は、供試体の表面全域に貼付された多数の歪ゲー
ジと、低周波領域から高周波領域までの広範囲の周波数
で供試体を加振させる加振部と、複数のチャンネルを有
しかつチャンネルの切り替えにより所定の歪ゲージから
歪出力値を得る動歪計と、供試体の側部に配設されて供
試体の応答信号を読み取る変位計と、歪出力値及び応答
信号から振動応力データを得てデータ記憶部に蓄えるＣ
ＰＵと、動歪計とＣＰＵとのデータ授受間に配設され、
動歪計のチャンネル切り替えを行うチャンネルセレクタ
ーと、供試体に対して所定共振周波数の正弦波を印加
し、かつ正弦波の変化量を歪出力値及び応答信号から検
出するとともに、単一正弦波相関法による歪出力値と応
答信号の波形解析により高調波成分、分調波成分さらに
はランダムなノイズを除去して平均化された振幅と位相
を得る周波数応答解析装置とを具備してなる装置であ
る。

【０００５】

【作用】本発明の振動応力分布計測装置によれば、周波
数応答解析装置から加振部に所定の周波数が発信され
る。そして、位相の微調整により加振されている供試体
の共振点が検出される。

【０００６】ここで、供試体に対して所定の共振周波数
の正弦波が印加されるが、その印加された正弦波（共振
周波数成分）の変化量は、チャンネルセレクターで選択
された所定の歪ゲージから歪出力値として得られるとと
もに、変位計から応答信号として得られ、それら歪出力
値及び応答信号は、再度、周波数応答解析装置に入力さ
れる。

【０００７】前記周波数応答解析装置は、歪出力値と応
答信号の波形を解析する演算手法として単一正弦波相関
法が採用されているので、この単一正弦波相関法による
Ｎ回積分の波形解析により、歪出力値と応答信号の波形
から高調波成分、分調波成分、さらにはランダムなノイ
ズが除去され、平均化された振幅及び位相が算出され
る。ここで、歪出力値は位相情報が得られるので、正負
符号が付けられた数値となる。そして、得られた歪出力
値と応答信号は、ＣＰＵのデータ部に振動応力データと
して蓄積されていく。

【０００８】上述した動作が、チャンネルセレクターの
切り替え操作により他の歪ゲージにおいても行われ、各
歪ゲージから得られた歪出力値と、変位計からの応答信
号が周波数応答解析装置に随時入力されていくことによ
り、ＣＰＵのデータ記憶部に正負符号の付いた振動応力
分布が得られていく。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の振動応力分布計測装置の一実
施例について図面を参照して詳細に説明する。

【００１０】図１は、本実施例の計測装置の概略を示す
ものである。図中符号１は、振動応力分布が計測される
動翼（供試体）２を水平方向に向け、翼基端部を固定し
た状態で架台３上に設置されている固定治具である。な
お、本実施例では、動翼２を固定する方法として一端固
定方式を採用しているが、動翼２の翼先端と翼根部とを
固定する両端固定方式もある。そして、固定治具１に固
定された動翼２は、加振部４により加振されるようにな
っている。前記加振部４は、動翼２に低周波域（５ＫＨ
Ｚ以下）の振動を与える動電型加振器４ａと、高周波域
（５〜１５ＫＨＺ以下）の振動を与えるピエゾ型加振器
４ｂとで構成されている。

【００１１】また、動翼２の翼面（背２ａ、腹２ｂの両
面）には、翼先端からテール側まで均一に多数（背２ａ
側の翼面には１５０個程の歪ゲージ）の歪ゲージ（図示
せず）が貼付されている。そして各歪ゲージから歪出力
値が得られて動歪計６に送られるようになっている。

【００１２】動歪計６は、複数のチャンネル（３０チャ
ンネル程）６ａ、６ｂ、６ｃを有しており、チャンネル
の切り替えにより所定の歪ゲージから歪出力値が得られ
るようになっている。そして、動歪計６には、チャンネ
ルの切り替えを自動的に行うチャンネルセレクター７が
接続されており、ＣＰＵ８からチャンネル指示信号がチ
ャンネルセクター７へ送信されると、所定の歪ゲージで
得られた歪出力値が、後述する周波数応答解析装置５に
入力されるようになっている。

【００１３】また、動翼２の側方には、加振状態の動翼
２から応答信号を得る変位計９が配設されており、前記
応答信号は周波数応答解析装置５に入力されるようにな
っている。変位計９の具体的装置としては、動電型加振
器４ａにより動翼２に低周波域（５ＫＨＺ以下）の振動
が与えられている場合には、光学式電子変位計が使用さ
れており、応答信号として先端振幅と位相が得られる。
また、ピエゾ型加振器４ｂにより動翼２に高周波域（５
〜１５ＫＨＺ以下）の振動が与えられている場合には、
レーザードップラー振動計が使用されており、応答信号
として速度と位相が得られる。なお、前記ＣＰＵ８に
は、コントロール部８ａ、データ記憶部８ｂ、データ出
力部８ｃなどが備えられている。

【００１４】ここで、前述したように、周波数応答解析
装置５には、所定の歪ゲージから歪出力値が入力され、
変位計９から応答信号が入力されるが、周波数応答解析
装置５から動翼２に対して所定の周波数（共振周波数）
の正弦波が印加され、その正弦波の変化量が、歪ゲー
ジ、変位計９を介して周波数応答解析装置５に入力され
てくるようになっている。

【００１５】そして、本実施例の周波数応答解析装置５
は、歪出力値と応答信号の波形を解析する演算手法とし
て単一正弦波相関法を採用しており、この演算手法によ
り、歪出力値と応答信号の波形から高調波成分、分調波
成分、さらにはランダムなノイズが除去され、平均化さ
れた振幅及び位相が算出される。すなわち、単一正弦波
相関法の演算理論の基本を、図２を参照して説明する
と、ｙ(ｔ)：被測定系からの出力ｘ(ｔ)：SINω₁ｔ ω₁：２π×測定周波数とすると、

【数１】ただし、Ｎ：積分回数、Ｔ＝２π／ω₁ ここで、積分値を２倍しているのは、前述したようにSI
Nω₁tを掛け、積分後に積分時間で平均化した場合は、
ａ₁／２が算出されるため、予めａ₁を算出できるよう２
倍したものである。 τ＝ＮＴーｔと変数変換を行うと、ｄτ＝ーｄｔを考慮して、かつ

【数２】を考慮すると、

【数３】となる。いま、

【数４】と考えると、

【数５】となり、畳み込み積分の形になる。すなわち、ｈ(τ)は
インパルス応答を表しており、その周波数領域における
特性は、次のフーリエ変換によって与えられる。

【数６】この積分を実施すると、Ｈ₁(ω)は次式で与えられる。

【数７】このフイルターのゲイン特性を求めると、

【数８】となる。同様にして、COSω₁ｔを掛けて積分した場合の
フィルター特性｜Ｈ₂(ω)｜は次式で与えられる。

【数９】これらゲイン特性｜Ｈ₁(ω)｜、及び｜Ｈ₂(ω)｜は、ω
／ω₁＝１（基本波）において１（０ｄＢ）となること
は、次のように証明できる。

【数１０】同様に、｜Ｈ₂(ω)｜＝±１従って、積分後の値について常に絶対値を取るようにす
ることで、フィルター特性（ゲイン）になることが理解
できる。ここで、

【数１１】であり、高周波成分はＮ（積分回数）に関わらず理論的
に０となる（正確には、高調波成分のフーリエ係数が０
となる。）。また、分調波の場合は、

【数１２】ただし、Ｎ＝Ｒｎ（Ｒは整数）

【００１６】このように、単一正弦波相関法によるＮ回
積分の波形解析により、周波数成分から高調波成分、分
調波成分、さらにはランダムなノイズが除去されること
が理解できる。

【００１７】そして、本実施例の周波数応答解析装置５
においては、図３に示すように、高調波、分調波及びラ
ンダムなノイズが混入した歪出力値ｙ₁(ｔ)、応答信号
ｙ₂(ｔ）のうち、数１１、数１２で示したＨ₁(ω)、Ｈ₂
(ω)というフィルターを通過してきた値が、印加された
所定の周波数（共振周波数）ｘ(ｔ)＝SINω₁t に同期したｙ₁(ｔ)、ｙ₂(ｔ）の成分

【数１３】となる。したがって、平均化された振幅ｒ＝ｒ₂／ｒ
₁と、位相θ＝θ₂ーθ₁が算出される（図４及び図５参
照）。

【００１８】このように、本実施例の周波数応答解析装
置５においては、単一正弦波相関法によるＮ回積分の波
形解析により、歪ゲージから得られる歪出力値、または
変位計９から得られる変位出力値の共振周波数成分か
ら、高調波や分調波さらにはランダムなノイズ成分を除
去した波形解析が行われ、平均化された振幅、位相が計
測されるのである。

【００１９】また、本実施例の装置を使用した振動応力
の計測手順は、図６に示すように行われる。すなわち、
周波数応答解析装置５から発信される周波数を低周波か
ら高周波まで変化せしめて共振点を検出した後、所定の
周波数で動翼２を共振させる（ステップＳＰ１）。そして、所定の共振周波数において、ＣＰＵ８のコント
ロール部８ａからチャンネルセクター７へチャンネル指
示信号が送信されることにより、所定の歪ゲージから動
歪計６を介して周波数応答解析装置５に歪出力値が入力
される。また、変位計９から応答信号が周波数応答解析
装置５に入力される。そして、周波数応答解析装置５の
単一正弦波相関法によるＮ回積分の波形解析により、歪
出力値と応答信号の波形から高調波成分、分調波成分、
さらにはランダムなノイズが除去され、平均化された振
幅及び位相が算出される（ステップＳＰ２）。そして、所定の歪ゲージと変位計９から得られた歪出力
値と応答信号は、ＣＰＵ８のデータ記憶部８ｂに振動応
力データとして蓄積されていく（ステップＳＰ３）。さらに、高精度の振動応力分布を得るために、動電型加
振器４ａを使用した低周波領域、ピエゾ型加振器４ｂを
使用した高周波領域とに分けて振動応力計測をおこなっ
ていく（図６で示す矢印Ｑ方向の流れを繰り返して行
う）。そして、上記計測手順により、図７に示すような
振動応力分布データが得られる。この振動応力分布デー
タは、動翼２を２次曲げモードで振動し、加振周波数を
２０１１ＨＺに設定して計測を行ったもので、縦軸は、
相対歪（Ｓ／Ｓｍａｘ；Ｓは振幅値、Ｓｍａｘは絶対値
で表した振幅の最大値）で示され、横軸は、翼の全長に
対する翼根側からの位置がパーセンテージで示されてい
る。これにより、動翼２の背側（ＣＶＸ）の後縁（Ｔｒ
ａｉｌｉｎｇＥｄｇｅ：Ｔ／Ｅ）、前縁（Ｌｅａｄｉ
ｎｇＥｄｇｅ：Ｌ／Ｅ）の翼端から翼根までの応力分
布と、腹側（ＣＣＶ）のＴ／Ｅ、Ｌ／Ｅにおける翼端か
ら翼根までの応力分布が得られる。

【００２０】従って、本実施例の振動応力分布計測装置
によれば、周波数応答解析装置５は、歪ゲージから入力
される歪出力値と、変位計９から入力される応答信号の
波形を解析する演算手法として単一正弦波相関法が採用
されているので、この単一正弦波相関法によるＮ回積分
の波形解析により、歪出力値と応答信号の波形から高調
波成分、分調波成分、さらにはランダムなノイズが除去
され、平均化された振幅及び位相を算出することができ
る。

【００２１】また、歪出力値は位相情報が得られるので
正負符号が付けられた数値となり、ＣＰＵ８のデータ記
憶部８ｂに振動応力データとして蓄積されていくことが
できる。

【００２２】また、動翼２の翼面に複数貼付された歪ゲ
ージから得られる歪出力値を、チャンネルセレクター７
の切り替え操作により周波数応答解析装置５に随時入力
していくことができるので、自動的に振動応力データ分
布を得ることができる。

【００２３】さらに、加振部４は、電動型加振器４ａ
と、ピエゾ型加振器４ｂで構成されているので、低周波
領域から高周波領域までの広範囲の周波数において振動
応力計測を行うことが可能となり、高精度の振動応力分
布データを得ることができる。なお、本実施例では、動
翼２に対する計測装置及び計測手順を示したが、静翼に
対しても同様に行うことができる。

【００２４】

【発明の効果】本発明の振動応力分布計測装置は、以上
のように構成されているので、歪ゲージから得られる歪
出力値と、変位計から得られる応答信号の波形から高調
波成分、分調波成分、さらにはランダムなノイズが除去
され、平均化された振幅及び位相を算出することができ
るとともに、歪出力値が位相情報も得られるため、正負
符号が付けられた高精度な供試体の振動応力データ分布
を得ることができる。

【００２５】しかも、供試体に複数貼付されている多数
の歪ゲージからの歪出力値情報を、チャンネルセレクタ
ーによるチャンネル切り替え制御により動歪計から随時
入力することができるため、自動的に供試体の振動応力
データ分布を得ることができる。

【００２６】また、低周波領域から高周波領域までの広
範囲の周波数において振動応力計測を行うことが可能と
なり、高精度の供試体の振動応力分布データを得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の振動応力分布計測装置を示す概略図で
ある。

【図２】本発明に備えられた周波数応答解析装置の波形
解析の演算手法の基本を示す図である。

【図３】周波数応答解析装置による歪出力値と応答信号
の波形解析の演算手法を示す図である。

【図４】歪出力値と応答信号の波形を示した図である。

【図５】平均化された歪出力値と応答信号の波形を示し
た図である。

【図６】本発明の振動応力分布計測装置を使用した計測
手順を示す図である。

【図７】本発明の振動応力分布計測装置を使用した振動
応力分布計測データを示す図である。

【図８】ジェットエンジンの各部の動静翼を示す図であ
る。

【符号の説明】

１固定治具２動翼（静翼：供試体）３架台４加振部４ａ電動型加振器４ｂピエゾ型加振器５周波数応答解析装置６動歪計７チャンネルセレクター８ＣＰＵ８ａコントロール部８ｂデータ記憶部８ｃ出力部９変位計

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】供試体の表面全域に貼付された多数の歪
ゲージと、低周波領域から高周波領域までの広範囲の周波数で前記
供試体を加振させる加振部と、複数のチャンネルを有し、チャンネルの切り替えにより
所定の歪ゲージから歪出力値を得る動歪計と、前記供試体の側部に配設されて供試体の応答信号を読み
取る変位計と、歪出力値及び応答信号から振動応力データを得てデータ
記憶部に蓄えるＣＰＵと、動歪計とＣＰＵとのデータ授受間に配設され、動歪計の
チャンネル切り替え制御を行うチャンネルセレクター
と、前記供試体に対して所定共振周波数の正弦波を印加し、
かつ該正弦波の変化量を前記歪出力値及び応答信号から
検出するとともに、単一正弦波相関法による歪出力値と
応答信号の波形解析により、高調波成分、分調波成分さ
らにはランダムなノイズを除去して平均化された振幅と
位相を得る周波数応答解析装置と、を具備してなる振動
応力分布計測装置。