摘要

本文旨在探討掃描式多普勒激光測振儀（SLDV）在渦輪葉片應變測試中的應用，并與傳統應變片測試方法以及有限元模型分析結果進行對比。通過實際測試，驗證了激光測振儀在獲取結構動態應變分布方面的準確性和可靠性，同時指出了應變片測試方法的局限性。本文還基于測試結果對有限元模型進行了驗證和修正。

1. 引言

在結構動態研究中，確認結構可能出現缺陷的位置是至關重要的。結構的疲勞損傷通常由反復變形引起，因此準確掌握結構動態應變的分布對于確認結構動態應力和疲勞應力具有重要意義。傳統應變片測試方法存在諸多缺陷，如附加質量、附加阻尼影響以及布置位置的準確性問題。為此，基于光學測試思路的激光測振儀應運而生，為應變測試提供了新的解決方案。

2. 理論背景

根據激光多普勒原理，激光測振儀可以準確地獲得振動平面的橫向位移。根據微變形理論，由彎曲引起的被測面應變分量可表示為：

\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，\(x\)、\(y\) 表示平面上某點的坐標，\(t\) 表示時間。結構表面的應變等于面內位移的空間導數，而面內位移可通過3D掃描式激光測振儀獲得。?

3. 實驗設置與測試

3.1 測試樣件??

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

3.2 測試設備

?將兩片葉片都安裝在激振器上，并放置在激光測振儀前。使用泓川科技公司的軟件進行掃描點定義，并將有限元模型的節點坐標導入系統中以便對比測試結果。

3.3 測試方法

?（1）對沒有布置應變片的葉片進行測試，選擇掃頻信號作為激勵信號，獲得葉片的頻譜。 （2）通過頻譜中的峰值確定共振頻率，并顯示相應的振型與有限元分析結果進行對比。 （3）在共振頻率處使用不同大小水平的正弦波進行激勵，采集葉片在這些頻率處的應變。?

4. 應變測試結果的對比

4.1 激光測振儀與有限元模型的對比

?激光測振儀與有限元模型的正應變具有良好的一致性，除了垂直于曲面（X方向）的正應變測試結果有一些偏差。進一步的研究表明，激光測振儀可以獲得滿意的切應變測試結果，XY平面的切應變一致性略差于其他平面，但總體結果仍令人滿意。

4.2 激光測振儀與應變片的對比

如圖4所示，黏貼在葉片上的應變片測試結果在某些共振峰處頻率出現了偏移，幅值由于受應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。這說明非接觸式的測量方法對于微小結構測試的重要性。?

5. 模型驗證

?將激光測振儀和應變片的測試結果與有限元模型分析結果進行對比，如表1所示。可以看出，黏貼應變片對結構的共振頻率（高階）影響很大?？紤]到有限元模型獲得的振型與激光測振儀的測試結果比較一致，共振頻率上的差別不是很大，因此無需繼續更新有限元模型的邊界條件。?

6. 結論

研究表明，通過激光測振儀可以獲得表面動態應變，無論是切應變還是正應變，測試數據都精確可靠。與傳統應變片測試方法相比，激光測振儀具有非接觸、高精度、無附加質量和阻尼影響等優點。此外，激光測振儀在低頻和高頻處都能獲得準確的正應變和切應變，為結構動態研究提供了有力的工具。本文還基于測試結果對有限元模型進行了驗證和修正，為后續的結構優化和設計提供了可靠的依據。