用三维扫描测振仪进行疲劳损伤的光学测量

一些结构动力学研究的一个关键目标是确定结构上最有可能发生故障的位置。疲劳损伤是应变波动的结果。因此，非常需要确定最大应变的位置。

为了保证结构的动强度和疲劳强度，还需要计算结构的动应变分布。在利用实验数据对有限元模型进行验证和更新时，获得准确的全场应变分布是至关重要的。

使用应变计是测量应变的最基本技术之一，但该技术存在许多缺点。应变计固定在一个位置，在轻型小型结构中，应变计及其连接电缆会产生进一步的质量荷载效应和附加阻尼。

建立应变片在测试表面的准确位置可能是另一个挑战，因为真实部件的最大应变可能会偏离模型预测的位置，例如，制造变化和公差。

在没有有限元模型指导的情况下，很难确定最大应变的精确位置，因为使用大量应变片是不实际的。为了寻找一种更好的应变测量方法，人们发展了许多光学技术。

提出了一种自20世纪90年代以来一直采用的具有高空间分辨率和振动分辨率的非接触光学技术扫描激光多普勒测振（SLDV）. 它最近针对3D测量进行了优化，将振动分解为平面外和平面内组件。

理论背景

只有横向位移W当使用一个SLDV时，可以正确地测量振动板。根据小变形理论，板内因弯曲而产生的应变分量为:

具有Z相对于板中心的横向距离，w（x，y，t）横向位移,x和Y点在平板表面上的坐标T时间。然而，结构表面的应变等于平面内表面位移的空间导数。

表面应变通常是非常重要的，因为它们通常比内部应变更大，因此更有可能导致失效。平面内位移只能通过利用三维扫描测振仪．

实验设置与测量

选择一个铝制风扇叶片作为测试部件，该部件来自图1所示的风扇组件。该部件因其高谐振频率、低重量、3D曲率、小尺寸和预期的小应变而特别有趣。

图1：在完整的风扇中带有应变计的风扇叶片。

图2：测量装置：（a）PSV-400扫描头；（b） 摄像机；（c） 安装在（d）振动筛上的风扇叶片。

图3:无应变计的风机叶片的频谱。

图4:带有10个应变计的风扇叶片的频谱。

接下来，第二个风扇叶片配备应变计，两个叶片安装在振动筛上，并放置在PSV-400-3D扫描测振仪的前面（图2）。测量网格是利用Polytec的PSV软件创建的。它也可以从FE模型中导入。

为了将测量结果与有限元模型（相同的全球坐标系）进行比较，PSV软件中使用了有限元模型中三个点的坐标。使用PSV软件的几何扫描单元和视频三角测量功能，下一步是对所有网格点的坐标进行精确测量。

在扫描测振仪测量的整个过程中，在没有应变片的情况下，进行了一次扫频，采集了风机叶片的频谱，如图3所示。通过选择频谱中的峰值来确定共振频率，可视化相应的模态振型，并与有限元模型进行比较。

接下来，利用不同振动水平下的正弦激励，在这些共振频率下进行应变测量。这些信号由Polytec的车载波形发生器产生，并经外部放大。使用衰减器按钮获得0 dB（10 V）、-20 dB和-40 dB的振动级非常简单。

这些应变片的影响可以在图4中清楚地看到，图4显示了附加应变片的风机叶片的频扫测量结果。由于附加的阻尼，几个共振频率发生了位移，并降低了相关峰值的振幅。最值得注意的是，2千赫的峰值几乎完全消失了。

这证实了非接触（光学）技术对于小尺寸结构的重要性。仅使用应变计几乎不可能识别所有共振频率和正确（最大）应变。

模型验证

两种方法的实验结果三维扫描测振仪应变片与有限元模型进行了比较。在测量完成后，对有限元模型进行更新，以获得相似的共振频率。3D-SLDV和FE模型获得的谐振频率如表1所示。附加应变片对(较高的)谐振频率有很大影响。

由于有限元模型的模态振型与测振仪测得的模态振型相匹配，因此谐振频率之间的差异并不相关，因此不需要进一步更新有限元模型的边界条件。

表1:共振频率的比较。

	三维有限元模型	扫描振动计
		无规刀片		叶片与量规
#	f(赫兹)	f(赫兹)	Rel. diff[%]。	f(赫兹)	Rel. diff[%]。
1.	650	650	0	650	0
2.	2015年	2100	4.	2188	9
3.	3,082	2725	-12年	2725	-12年
4.	4183年	3975	–5	3725	-11年
5.	5865年	6138	5.	5950	1.

图5:正常应变在3975赫兹。左:有限元模型;右:振动计结果;上图:轴;中间:轴;底部:z轴。

应变结果的比较

本节将描述从三维扫描测振仪测量得到的应变分布与有限元结果的对比。从图5中可以看出，测振仪的法向应变与有限元模型有很好的一致性。只有垂直于曲面(x方向)的法向应变的测量有较大偏差。

进一步的研究表明，对于剪切应变，有可能得到满意的结果。剪切应变在xy平面上的一致性仍然令人满意，但略低于其他平面。

结论

研究表明，利用三维扫描测振仪获取的三维位移数据采集可靠的动态表面应变是可行的。如图所示，通过将测振仪测量结果与应变计测量结果和有限元模型进行比较，可以准确测量正常应变之外的剪切应变。

结果表明，通过在风机叶片上安装应变片，结构的动力性能得到了改善。在某些谐振频率下，某些谐振频率发生位移，峰值大大降低。非接触式测量显然不会显示出这些缺点。此外，振动计的灵敏度远远高于应变片。

与应变计相比，应变可测量到小一个数量级。的三维扫描振动计具有在高频和低频精确测量小(全场)法向应变和剪切应变的潜力，这是其他光学方法无法实现的。

此信息已从Polytec提供的材料中获取、审查和改编。欧洲杯足球竞彩

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