航空发动机快变信号稀疏时频诊断方法研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51605366
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    20.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0503.机械动力学
  • 结题年份:
    2019
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2019-12-31

项目摘要

The aero-engine is the heart of the airplane. The safety and reliable operation is the first priority of the aero-engine, which always attracts the global concern. However, the aero-engine services in extreme environment, such as high speed, high temperature, heavy load, and strong disturbance, which may result in serious accident. Thus health monitoring and machine fault diagnosis play a significant role in guaranteeing the safety and reliable operation of aero-engine. Because of the factors such as the frequently varying condition, the sharp speed-up or speed-down, and high-speed varying-stiffness, the instantaneous frequency of the vibration of the aero-engine is always highly oscillated and changed with time. The vibration signals with fast time-varying instantaneous frequency is strong nonstationary. This project will analyze aero-engine vibration signals with fast time-varying instantaneous frequency, and research the sparse time-frequency method for aero-engine fault diagnosis. Firstly, the dynamic modeling of aero-engine dual-rotor system and fault mechanism will be studied to reveal the vibration mechanism of the high-oscillated time-varying signals. Secondly, matching synchrosqueezing transform will be studied to analyze the high-oscillated time-varying signals, and thus to improve the energy concentration of the time-frequency representation for the high-oscillated time-varying signals. Thirdly, the sparse time-representation dictionary can be constructed by the proposed matching synchrosqueezing transform, and thus to transform forward and backward between the physical space and the sparse domain. Then the object function for sparse time-frequency representation of the high-oscillated time-varying signals can be constructed and eventually solved fast by advanced optimization algorithm. As the result, the sparsity of the high-oscillated time-varying signals in the time-frequency domain and the extraction accuracy can be improved. Lastly, taking a center aero-engine dual-rotor system as the research object, the experimental and engineering study will be implemented. The research results of this project will provide theoretical basis and technical support for aero-engine fault diagnosis, and thus will provide a significant role in guaranteeing the safety and reliable operation of mechanical equipment.
航空发动机是飞机的“心脏”,常常工作于高速、高温、重载、强扰动等极端服役环境,导致灾难性事故时有发生,健康监测与故障诊断对保障航空发动机运行安全至关重要。本项目以航空发动机频繁变工况、大幅升降速、高转速变刚度运行等引起的瞬时频率快速变化、且具有强时变非平稳特性的快变信号为分析对象,研究快变信号稀疏时频诊断方法。具体包括:研究航空发动机双转子系统动力学建模与故障机理,揭示快变信号产生机理;研究快变信号匹配同步压缩变换方法,实现快变信号高聚集性时频表征;构建快变信号稀疏时频表示字典,研究快变信号稀疏时频表示的目标函数构造与快速求解方法,提高快变信号在时频域的稀疏性与提取精度;以某型航空发动机双转子系统为对象,开展实验与工程验证研究。本项目在上述研究基础上,提出航空发动机快变信号稀疏时频诊断方法,有望为航空发动机等机械装备故障诊断提供理论支撑和技术支持,对保障机械装备运行安全具有重要意义。

结项摘要

航空发动机是飞机的“心脏”,常常工作于高速、高温、重载、强扰动等极端服役环境,导致灾难性事故时有发生,健康监测与故障诊断对保障航空发动机运行安全至关重要。本项目以航空发动机频繁变工况、大幅升降速、高转速变刚度运行等引起的瞬时频率快速变化、且具有强时变非平稳特性的快变信号为分析对象,研究快变信号稀疏时频诊断方法。.(1)提出了航空发动机转子系统建模与典型故障(碰摩和转轴裂纹)建模方法,数学本质上分别揭示了转子系统碰摩故障和转轴裂纹故障诱发快变振动的物理机理;(2)提出了匹配同步压缩小波变换方法,采用“匹配重排”策略的匹配时频分析思想,构造了能够匹配信号调频本质的匹配瞬时频率重排算子,解决了传统时频重排方法和同步压缩小波变换在时频聚集性与重构性质之间不可兼得的问题;(3)提出了非凸稀疏正则化与保凸优化、组内组间稀疏正则化、脊线加权的快变信号稀疏建模等方法,实现了快变信号稀疏时频表示;(4)搭建了航空发动机双转子系统等试验平台,开展了实验研究与工程应用。.基于本项目相关研究成果,发表论文22篇,其中SCI论文17篇(2篇ESI高被引论文),《机械工程学报》1篇,会议论文4篇;申请发明专利3项,授权3项。相关研究成果得到麻省理工学院(MIT)、IEEE Fellow Steven B. Leeb教授,英国利物浦大学、《Journal of Sound and Vibration》杂志副主编H. Ouyang教授,IEEE/ASME会士、美国凯斯西储大学Robert X. Gao教授,香港城市大学Kwok Leung TSUI教授,东北大学、中科院闻邦椿院士,上海交通大学、杰青/长江/万人计划学者彭志科教授,浙江大学、长江学者徐兵教授等著名专家的引用与正面评价。基于本项目的资助与相关研究,项目负责人于2018年晋升副教授,获批国家自然科学基金重大研究计划培育项目1项,作为骨干成员参与国家自然科学基金重点项目和国家重点研发计划项目各一项。

项目成果

期刊论文数量(18)
专著数量(1)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(4)
专利数量(3)
A weighted multi-scale dictionary learning model and its applications on bearing fault diagnosis
加权多尺度字典学习模型及其在轴承故障诊断中的应用
  • DOI:
    10.1016/j.jsv.2019.01.042
  • 发表时间:
    2019-04-28
  • 期刊:
    JOURNAL OF SOUND AND VIBRATION
  • 影响因子:
    4.7
  • 作者:
    Zhao, Zhibin;Qiao, Baijie;Chen, Xuefeng
  • 通讯作者:
    Chen, Xuefeng
Nonconvex Sparse Regularization and Convex Optimization for Bearing Fault Diagnosis
轴承故障诊断的非凸稀疏正则化和凸优化
  • DOI:
    10.1109/tie.2018.2793271
  • 发表时间:
    2018-01
  • 期刊:
    IEEE Transactions on Industrial Electronics
  • 影响因子:
    7.7
  • 作者:
    Shibin Wang;Ivan Selesnick;Gaigai Cai;Yining Feng;Xin Sui;Xuefeng Chen
  • 通讯作者:
    Xuefeng Chen
Hierarchical hyper-Laplacian prior for weak fault feature enhancement
用于弱故障特征增强的分层超拉普拉斯先验
  • DOI:
    10.1016/j.isatra.2019.06.007
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    ISA Transactions
  • 影响因子:
    7.3
  • 作者:
    Zhibin Zhao;Shibin Wang;Botao An;Yanjie Guo;Xuefeng Chen
  • 通讯作者:
    Xuefeng Chen
Nonlinear Squeezing Time-Frequency Transform and Application in Rotor Rub-Impact Fault Diagnosis
非线性挤压时频变换及其在转子碰碰故障诊断中的应用
  • DOI:
    10.1115/1.4036993
  • 发表时间:
    2017-10
  • 期刊:
    Journal of Manufacturing Science and Engineering
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Shibin Wang;Laihao Yang;Xuefeng Chen;Chaowei Tong;Baoqing Ding;Jiawei Xiang
  • 通讯作者:
    Jiawei Xiang
Matching Synchrosqueezing Wavelet Transform and Application to Aeroengine Vibration Monitoring
匹配同步压缩小波变换及其在航空发动机振动监测中的应用
  • DOI:
    10.1109/tim.2016.2613359
  • 发表时间:
    2017-02-01
  • 期刊:
    IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT
  • 影响因子:
    5.6
  • 作者:
    Wang, Shibin;Chen, Xuefeng;Zhao, Zhibin
  • 通讯作者:
    Zhao, Zhibin

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其他文献

基于瞬态冲击响应参数辨识的轴承故障特征检测
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    --
  • 发表时间:
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  • 期刊:
    振动工程学报
  • 影响因子:
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  • 作者:
    王诗彬;朱忠奎;王安柱
  • 通讯作者:
    王安柱
瞬态成分参数的最小二乘法辨识及其轴承故障特征提取应用
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    机械工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王诗彬;许佳;朱忠奎
  • 通讯作者:
    朱忠奎
机械结构冲击载荷稀疏识别方法研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    机械工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    乔百杰;陈雪峰;刘金鑫;王诗彬
  • 通讯作者:
    王诗彬

其他文献

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数据与机理驱动的可解释性人工智能及航空装备智能诊断
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相似国自然基金

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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