在当前关于全球气候变化的讨论中，飞机的燃油消耗是一个热门话题。其中一个重要因素是飞机发动机本身的设计。为了减轻重量并制造出更经济的发动机，叶片集成盘（blisks）的应用正日益普及。这些部件是由整块材料铣削而成，而非像传统部件那样通过组装制成。
振动试验的必要性及模型关联性
整体叶盘（Blisk）虽然减轻了重量并降低了结构复杂性，但也带来了技术挑战。由于其由单件整体加工而成，因此阻尼极低，导致振动共振现象非常尖锐且明显。理想的整体叶盘应具有对称性，即所有扇区具有相同的几何形状和材料性能。在这种情况下，振动模态也会表现出对称性，振动能量在所有扇区之间均匀分布。
制造过程中极微小的缺陷都会导致共振失调。一旦出现共振失调，振动能量可能会集中于一片或几片叶片上，从而导致振动振幅增大。在运行过程中，这可能会导致应力升高，并最终导致部件过早失效（高周疲劳）。
为了预测运行中的实际应力，需要进行详细的有限元（FE）建模。第一步，需要通过试验对对称部件的有限元模型进行验证；第二步，则需对模型进行调整，以考虑观测到的谐振失调现象。因此，详细的有限元关联分析是一个关键步骤，必须非常精确地进行。
激光多普勒振动计能够以非接触式方式，在所需的整个频率范围内可靠地测量振动特性。 与加速度计等传统接触式传感器不同，该方法不会产生质量加载或增加阻尼。这是实现准确、详细模型关联的必要条件。此外，三维扫描激光多普勒振动计（3D SLDV）能够以简单且精确的方式，获取所有频率下的完整三维位移形状，从而生成完整的数据集，便于与有限元模型进行关联。
研究对象是斯图加特大学ITSM提供的直径为240 mm的压缩机整体叶盘。该部件由不锈钢制成，并在一家专门制造此类零部件的公司进行了高精度铣削加工。高分辨率几何扫描显示，其几何偏差非常微小，仅为50 µm量级。
该叶盘被放置在三个小型橡胶垫上，以将其与环境隔离，同时最大限度地减少支撑结构的影响。通过SAM 1型可扩展自动模态锤进行高达20 kHz的宽带激励。所使用的3D SLDV（型号PSV-500-3D ，Xtra ）采用3 mW功率的红外光源，既无需复杂的表面处理，又确保对眼睛安全。
结果
图3显示了经所有扫描点平均后的测量传递函数（FRF）频谱，图2展示了一些偏转形状的示例。图4展示了双模的频率分离现象，这是周期对称结构的典型特征，首次暗示了单片叶盘存在非常轻微的失调——这是一个重要参数。
为了进行进一步分析并与有限元法（FE）进行比较，将数据集导出为通用文件格式，并使用模态分析软件包PolyWave 进行模态提取。随后，将由此获得的第一模态族中的模态与纯对称结构的有限元模拟结果进行比较。
表1列出了试验和模拟所得的频率、两者之间的差异以及试验中测得的阻尼比。 数据展示的是第一模态族的结果，其中所有单个叶片均呈现相同的第一次弯曲型挠度形状。测试频率与模拟频率高度一致，表明失谐量很小。尽管如此，双模频率（0.6–3 Hz，中心频率约为1–2 kHz）的轻微分裂仍表明存在失谐现象。
通过将试验中提取的模态形状与有限元分析（FEA）中提取的模态形状进行比较，并结合图5所示的MAC分析，进一步验证了这一结果。
通常情况下，接近1的MAC值表明模态形状高度相似，数值越小则表明模态形状存在偏差。虽然低阶模态表现出极佳的一致性，但部分高阶模态的MAC值较低。
一项更详细的研究（参见下文参考文献）表明，模态形状中的这些偏差完全可以用轻微的几何失调效应来解释，这种效应将振动振幅集中在比其他叶片更多的几片叶片上，从而破坏了模态形状的对称性。
通常，MAC值越接近1则表示模态振型相似度越高，反之，数值越小则表示偏差越大。实验数据表明，低阶模态具有很好的相关性，而一些高阶模态的MAC值较低。更深入的研究表明（参阅参考资料），这些模态振型的偏差可以很好地通过细微的几何误差来解释，由于几何外形的误差破坏了模态振型的对称性，导致少数叶片相比其他叶片的局部振动幅值变大。
结论与展望
3D激光多普勒扫描振动测量法是获取如整体叶盘等复杂部件高保真数据的绝佳方法。利用PolyWave 对数据进行模态提取，可实现与有限元模态的详细关联。仿真与试验结果总体上高度一致，仿真中的所有相关模态均可被清晰检测到，且在频率方面的一致性非常良好。
对数据的详细分析表明，所制造的整体叶盘存在轻微的失谐效应，而基于理想化CAD模型的有限元模型并未捕捉到这一现象。这些失谐效应可通过双模的频率分裂以及高阶模态的模态形状差异来检测，这表明了振动能量的局域化效应。
这些结果为更新有限元模型提供了依据，新模型将考虑失谐效应，这对预测实际运行条件下的高循环疲劳至关重要。目前，分析仅限于叶盘的第一模态族，但由于已采集了高达10 kHz的测试数据，因此也可以同样的详细程度研究更高阶的模态族。
参考文献
帕特里克·布赫瓦尔德等人：2019年11月在澳大利亚悉尼举行的APVC会议上发表的论文。
