使用3D扫描振动计对疲劳损伤的光学测量

几个结构动力学研究的一个关键目标是在结构上定义最有可能发生故障的位置。疲劳损伤是波动应变的结果。因此，非常需要识别最大应变的位置。

还必须计算这些结构上动态应变的分布，以确保动态和疲劳强度。在利用实验数据来验证和更新有限元（FE）模型时，至关重要的是要获得准确的全场应变分布。

使用应变量表是测量应变的最基本技术之一，但是这种技术有很多缺点。应变量固定在一个位置，在轻巧的小结构中，应变量规及其连接电缆会产生进一步的质量加载效果，并增加了阻尼。

建立应变量表在测试表面上的确切位置可能是另一个挑战，因为实际成分中的应变最大值可能会偏离模型预测的位置，因为例如制造变化和公差。

在没有FE模型的指导的情况下，很难确保您可以确定最大应变的精确位置，因为使用大量的应变级是不切实际的。在寻找出色的应变测量方法时，开发了许多光学技术。

一种非接触式光学技术，自1990年代以来已使用高空间和振动分辨率扫描激光多普勒振动（SLDV）。最近对3D测量进行了优化，将振动分解为平面外和面板组件。

理论背景

仅横向位移w使用一个SLDV时，可以正确测量振动板的。根据小变形理论，由于弯曲而导致的板中的应变成分由以下方式给出：

和z相对于板的中心的横向距离，W（x，y，t）横向位移，X和y沿板表面的一个点的坐标，以及t时间。但是，结构表面的应变等于平面表面位移的空间衍生物。

表面菌株通常引起人们的关注，因为它们通常大于内部菌株，因此更有可能导致故障。平面内部位移只能通过利用3D扫描振动仪。

实验设置和测量

选择铝风扇刀片作为测试成分，该测试组件来自扇形组件，如图1所示。由于其高谐振频率，低重量，3D曲率，小尺寸和预期的小菌株，该部分特别有趣。

图1：扇形刀片，带有应变量的完整风扇。

图2：测量设置：（a）PSV-400扫描头；（b）摄像机；（c）装在（d）振动器上的风扇叶片。

图3：风扇叶片的频谱没有应变量。

图4：带有10个应变量的风扇刀片的频谱。

接下来，第二个风扇刀片配备了应变量，并且两个叶片都安装在振动板上，并放置在PSV-400-3D扫描振动仪的前面（图2）。测量网格是通过使用Polytec的PSV软件来创建的。它也可以从FE模型中导入。

为了比较测量和Fe模型（相同的全局坐标系）的结果，在PSV软件中使用了Fe模型的三个点的坐标。使用PSV软件的几何扫描单元和视频三角剖分功能，下一步是对所有网格点的坐标进行精确测量。

在扫描振动仪的整个测量过程中，执行频率扫描以收集没有应变量的风扇叶片的频谱，如图3所示。通过选择频谱中的峰，可视化峰来确定谐振频率。相应的模式形状并将其与FE模型进行比较。

接下来，通过在不同的振动水平上利用正弦激发，在这些谐振频率下进行应变测量。信号是使用Polytec的板载波形发电机生成的，并进行了外部放大。使用衰减器按钮获得0 dB（10 V），-20 dB和-40 dB的振动水平非常简单。

这些应变量量的影响可以清楚地看到图4，该图显示了带有应变量的风扇刀片的频率扫描测量。由于增加阻尼，几个共振频率被移动，相关峰的幅度降低了。最值得注意的是，峰值2 kHz几乎完全消失了。

这证实了非接触式（光学）技术对于小尺寸结构的重要性。仅使用应变量表，几乎不可能识别所有共鸣频率和正确的（最大）菌株。

模型验证

两者的实验结果3D扫描振动仪在本节中将应变量量与FE模型进行了比较。进行测量后，更新了FE模型以获取类似的共振频率。3D-SLDV和Fe模型获得的共振频率可以在表1中看到。附着应变量量对（较高）共振频率具有很大的影响。

谐振频率之间的差异无关，因为FEM的模式形状匹配使用振动仪测量的模式形状，因此不再需要进一步更新Fe模型的（边界条件）。

表格1：共振频率的比较。

	Fe 3-D模型	扫描振动仪
		刀片没有量子		刀片带量具
＃	F [Hz]	F [Hz]	rel。差异。[％]	F [Hz]	rel。差异。[％]
1	650	650	0	650	0
2	2,015	2100	4	2188	9
3	3,082	2725	–12	2725	–12
4	4,183	3975	–5	3725	–11
5	5,865	6138	5	5950	1

图5：3975 Hz的正常应变。左：FE模型；右：振动仪结果；顶部：X轴；中间：Y轴；底部：z轴。

菌株结果的比较

与FEM结果相比，从3-D扫描振动仪测量获得的应变分布在本节中进行了描述。如图5所示，在振动仪和FE模型之间的正常应变中有一个很好的一致性。只有垂直于弯曲表面（x方向）的正常应变的测量才能表现出更多的偏差。

进一步的研究表明，有可能收集剪切应变的令人满意的结果。XY平面中剪切应变的一致性仍然令人满意，但比其他平面稍差。

结论

这项研究表明，从3D扫描振动仪获得的3D位移数据中收集可靠的动态表面菌株是可行的。如图所示，除了正常菌株外，还可以通过将振动仪测量结果与应变计测量和有限元模型进行比较，可以准确地测量剪切菌株。

已经证明，通过将应变量固定在风扇叶片上，结构的动态行为得到了修改。在某些谐振频率下，某些共振频率被移动并大大降低了峰值。非接触式测量显然没有显示这些缺点。此外，表明振动仪的灵敏度远高于应变量。

与应变量量相比，可以测量菌株的最多数量级。这3-D扫描振动仪有可能在高频和低频率下精确测量小（全田）正常和剪切菌株，而其他光学方法将失败。

该信息已从Polytec提供的材料中采购，审查和改编。亚博网站下载

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