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利用數字圖像相關DIC技術測量航空發動機葉片振動模態

1實驗背景

航空發動機設計中，旋轉葉片在高速運行下易受激勵頻率影響，導致共振、疲勞甚至失效，故識別葉片特定轉速下的模態參數（如固有頻率、模態振型），有利于確認安全轉速范圍，防止葉片失效。


2實驗目的

千眼狼工程師們采用數字圖像相關DIC技術，實測葉片在預測的三種特定轉速下的振動模態，與仿真結果三階模態固有頻率700Hz、1400Hz、3000Hz做對比，驗證仿真模型準確性。


3實驗設備

實驗采用國產先進的超高速數字圖像相關DIC系統，由2臺千眼狼NEO 25高速攝像機組成，分辨率1280×1024，幀率25,000fps，搭配偏振片，用于捕捉葉片動態圖像，并消除反光現象；亞光筆用于在葉片表面制作散斑；RDIC軟件，用于分析模態。


4實驗過程和數據

1）利用亞光筆制作5mm的均勻散斑。

2）基于仿真模型預測的共振點，設計三種轉速3250rpm、6114rpm、6400rpm工況，使用高速攝像機NEO 25，從底部朝上，捕捉69000幀視頻圖像。

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圖1

3）使用互功率譜密度CPSD算法進行數據分析，通過計算參考測點與其他測點之間的互功率譜，提取葉片在激勵下的頻率響應特性，剔除剛體旋轉位移，確保模態分析結果準確。

  • 一階模態分析

一階模態反映葉片基礎剛度特性，代表葉片最易發生的低頻共振。一階模態對應3250rpm轉速，實測固有頻率708Hz，與仿真模型700Hz誤差1.1%（圖2）。該模態為低頻響應，轉速相對較低，激勵頻率易于激發固有頻率，幫助工程師們確認安全轉速范圍，避免3250rpm附近長時間運行，防止葉片疲勞失效。振型特征上，表現為葉片整體彎曲振動，振幅從葉根向葉尖遞減，分布均勻（圖3）。

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圖2

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圖3

  • 二階模態分析

二階模態用于揭示葉片在中高轉速下的復合變形模式，對應6114rpm工況，實測固有頻率1425Hz，與仿真模型1400Hz誤差1.8%（圖4）。振型特征上表現為葉片扭轉振動，節點位于葉片中部，振幅分布呈對稱扭轉模式（圖5）。二階模態測量揭示了中級轉速下扭轉共振風險，幫助工程師們優化發動機控制系統，避免在高應力區運行，同時扭轉振型定位了葉片在扭轉載荷下的薄弱點，用于指導葉片幾何形狀改進。

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圖4


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圖5

  • 三階模態分析

三階模態用于揭示葉片高頻共振下產生微裂紋或聲疲勞風險。對應6400rpm工況，實測固有頻率2951Hz，與仿真模型3000Hz誤差1.6%（圖6）。振型特征上表現為高頻局部振動，但受氣流和軸承振動等環境噪聲干擾，振型重建不完整，僅在葉片1觀測到局部峰值響應，如葉尖和葉片邊緣區（圖7），振幅小且分布不均勻，提示工程師們加大局部熱點失效區域的檢測。

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圖6

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圖7

5實驗結論


  • 實驗驗證：利用超高速數字圖像相關DIC系統可獲取航空發動機高速旋轉葉片在不同轉速下的振動模態數據，各階模態實測固有頻率與仿真誤差≤1.8%，有效驗證了仿真模型，為研究葉片振動特性，設計轉速規避策略避免共振提供實驗依據。

  • 振型特征：一階模態表現為典型彎曲形態，二階為扭轉形態，三階為局部振動，振型從全局向局部演變，受環境噪聲影響，三階模態的響應振幅較小，重建振型不完整，后續千眼狼工程師將進化噪聲濾波算法，提升高頻信噪比。


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