船舶发动机涡轮增压器的激光振动测试

---边界条件，测试误差，可重复度

图1：涡轮叶片测试

测试样件是排气涡轮增压器的部件，这些部件具有低阻尼和几何外形复杂等特点，这在测试和模拟过程中都会显著增加模态密度。

图2：涡轮叶片的振型

样件温度对测试结果的影响，因此与仿真数据结果进行比对时，其影响往往被低估。杨氏模量的变化是主要原因。

图3：温度相关的模态频率平均间隔

图3中测试的偏差对于后续的MAC值比对很重要。在检测温度范围内，频率和样件温度之间的线性相干性已经很明显。近似的温度影响可以被计算出来，因此在测试过程中应记录样件温度（或环境温度）的偏差。当测点数量庞大，或频率分辨率很高（会延长后续使用扫描式激光测振仪的测试时间）时，上述方法会非常有用。

模态试验旨在验证仿真模型。模态置信准则（MAC）就是一个验证指标。通过比较仿真和实测的特征模态，可以确定每个模态的相关程度。一般必须达到MAC＞0.95的目标。

试验装置如下：样本为轴向涡轮叶片，将其几何形貌数据从FE导入至PSV软件中，然后将网格分别移动0.5、1.0和2.0 mm，观察MAC值的偏差。将样品放置在初始位置进行三次评估后，以MAC值的扩展为基础进行分析。结果显示在图4中。

图4：MAC值偏差

MAC值的偏差随着模态阶数的增加而变大，而特征模态会变得更加复杂，最大差异可以高达20%。

因此，测试系统（3D校准）和被测样件的精确定位对于获取良好MAC值至关重要。另一方面，对于一个尺寸约50mm，安装误差为0.5mm（即大约被测样件的10%）时，所导致的MAC值误差约为0.02-1%。无论处于哪一阶模态，因此在分析MAC值时可以忽略。

图5：用硬质泡沫板和橡皮筋支撑涡轮叶片

如果仿真的边界条件能够在试验中再现，试验结果才会给出与仿真结果相同的固有特征频率和特征模态。仿真工程师们所设置的自由-自由边界条件，在现实中只能近似地得到。测试时的边界条件尽可能接近理想情况，特征频率的偏差则表明了测试有多成功。

对比两种“自由-自由”状态： 

·         用硬质泡沫板来支撑

·         用橡皮筋来支撑

将这两种支承条件下的频率偏差进行对比，结果一目了然。在这种情况下，支持条件对测试结果没有显著影响。更重要的是，硬泡沫中的支撑可以可靠地保持样件位置，这样使用一次3D校准即可，甚至可以用于多个试样的连续测试。

图6：不同支撑条件下的频率偏差

如图8所示，由于理想的几何形貌数据与实际的几何形貌数据存在差异，最初无法测试出模态8（初始测试样本S36）。在对样本进行了几何形貌测试，并根据现有的真实几何形貌数据建立新的有限元模型后，对于S36、S43和S01这三个样本而言，特征模态的一致性比较理想。

图7：修正后的几何形貌数据和导入的几何形貌数据之间的MAC值的偏差

在弯曲杆试验中，使用应变片和PSV确定了激励位置对传递函数的影响。使用模态力锤进行激励。为了获得H1 PSV/应变片的传递函数，这里使用PSV扫描式激光测振仪输出的振动速度作为参考，而不是力。

由图10可知，沿杆方向的激励位置对振动速度有影响，而与模态1的H1传递函数无关。

图8：带应变片和PSV测点的弯曲杆

图9：模态1 H1传递函数，沿杆长方向的振动速度