摘要

本文旨在探討掃描式多普勒激光測(cè)振儀（SLDV）在渦輪葉片應(yīng)變測(cè)試中的應(yīng)用，并與傳統(tǒng)應(yīng)變片測(cè)試方法以及有限元模型分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證了激光測(cè)振儀在獲取結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)變分布方面的準(zhǔn)確性和可靠性，同時(shí)指出了應(yīng)變片測(cè)試方法的局限性。本文還基于測(cè)試結(jié)果對(duì)有限元模型進(jìn)行了驗(yàn)證和修正。

1. 引言

在結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)研究中，確認(rèn)結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)缺陷的位置是至關(guān)重要的。結(jié)構(gòu)的疲勞損傷通常由反復(fù)變形引起，因此準(zhǔn)確掌握結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)變的分布對(duì)于確認(rèn)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力和疲勞應(yīng)力具有重要意義。傳統(tǒng)應(yīng)變片測(cè)試方法存在諸多缺陷，如附加質(zhì)量、附加阻尼影響以及布置位置的準(zhǔn)確性問(wèn)題。為此，基于光學(xué)測(cè)試思路的激光測(cè)振儀應(yīng)運(yùn)而生，為應(yīng)變測(cè)試提供了新的解決方案。

2. 理論背景

根據(jù)激光多普勒原理，激光測(cè)振儀可以準(zhǔn)確地獲得振動(dòng)平面的橫向位移。根據(jù)微變形理論，由彎曲引起的被測(cè)面應(yīng)變分量可表示為：

\epsilon = \frac{\partial^2 w(x,y,t)}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 w(x,y,t)}{\partial y^2} \] 其中，\(Z\) 表示相對(duì)平板中心的橫向距離，\(w(x,y,t)\) 表示橫向位移，\(x\)、\(y\) 表示平面上某點(diǎn)的坐標(biāo)，\(t\) 表示時(shí)間。結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)變等于面內(nèi)位移的空間導(dǎo)數(shù)，而面內(nèi)位移可通過(guò)3D掃描式激光測(cè)振儀獲得。?

3. 實(shí)驗(yàn)設(shè)置與測(cè)試

3.1 測(cè)試樣件??

選取一片具有代表性的鋁制葉片作為測(cè)試樣件。該葉片具有典型的三維曲率、尺寸小、重量輕、共振頻率高以及預(yù)期應(yīng)變小的特點(diǎn)。另一片葉片表面布置應(yīng)變片作為對(duì)比。?

3.2 測(cè)試設(shè)備

?將兩片葉片都安裝在激振器上，并放置在激光測(cè)振儀前。使用泓川科技公司的軟件進(jìn)行掃描點(diǎn)定義，并將有限元模型的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入系統(tǒng)中以便對(duì)比測(cè)試結(jié)果。

3.3 測(cè)試方法

?（1）對(duì)沒(méi)有布置應(yīng)變片的葉片進(jìn)行測(cè)試，選擇掃頻信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，獲得葉片的頻譜。 （2）通過(guò)頻譜中的峰值確定共振頻率，并顯示相應(yīng)的振型與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。 （3）在共振頻率處使用不同大小水平的正弦波進(jìn)行激勵(lì)，采集葉片在這些頻率處的應(yīng)變。?

4. 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果的對(duì)比

4.1 激光測(cè)振儀與有限元模型的對(duì)比

?激光測(cè)振儀與有限元模型的正應(yīng)變具有良好的一致性，除了垂直于曲面（X方向）的正應(yīng)變測(cè)試結(jié)果有一些偏差。進(jìn)一步的研究表明，激光測(cè)振儀可以獲得滿(mǎn)意的切應(yīng)變測(cè)試結(jié)果，XY平面的切應(yīng)變一致性略差于其他平面，但總體結(jié)果仍令人滿(mǎn)意。

4.2 激光測(cè)振儀與應(yīng)變片的對(duì)比

如圖4所示，黏貼在葉片上的應(yīng)變片測(cè)試結(jié)果在某些共振峰處頻率出現(xiàn)了偏移，幅值由于受應(yīng)變片附加阻尼的影響而有所降低。特別值得注意的是，在2kHz附近的共振峰完全消失了。這說(shuō)明非接觸式的測(cè)量方法對(duì)于微小結(jié)構(gòu)測(cè)試的重要性。?

5. 模型驗(yàn)證

?將激光測(cè)振儀和應(yīng)變片的測(cè)試結(jié)果與有限元模型分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表1所示?？梢钥闯觯べN應(yīng)變片對(duì)結(jié)構(gòu)的共振頻率（高階）影響很大?？紤]到有限元模型獲得的振型與激光測(cè)振儀的測(cè)試結(jié)果比較一致，共振頻率上的差別不是很大，因此無(wú)需繼續(xù)更新有限元模型的邊界條件。?

6. 結(jié)論

研究表明，通過(guò)激光測(cè)振儀可以獲得表面動(dòng)態(tài)應(yīng)變，無(wú)論是切應(yīng)變還是正應(yīng)變，測(cè)試數(shù)據(jù)都精確可靠。與傳統(tǒng)應(yīng)變片測(cè)試方法相比，激光測(cè)振儀具有非接觸、高精度、無(wú)附加質(zhì)量和阻尼影響等優(yōu)點(diǎn)。此外，激光測(cè)振儀在低頻和高頻處都能獲得準(zhǔn)確的正應(yīng)變和切應(yīng)變，為結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)研究提供了有力的工具。本文還基于測(cè)試結(jié)果對(duì)有限元模型進(jìn)行了驗(yàn)證和修正，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。